JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
신경과학

Substantia Nigra'nın Nöromelanine Duyarlı Manyetik Rezonans Görüntülemesi için Standartlaştırılmış Veri Toplama

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

Summary

Bu protokol, substantia nigra’nın nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme verilerinin nasıl elde edileceğini gösterir.

Abstract

Dopaminerjik sistem, sağlıklı bilişte (örneğin, ödül öğrenme ve belirsizlik) ve nöropsikiyatrik bozukluklarda (örneğin, Parkinson hastalığı ve şizofreni) çok önemli bir rol oynar. Nöromelanin, substantia nigra’nın dopaminerjik nöronlarında biriken dopamin sentezinin bir yan ürünüdür. Nöromelanine duyarlı manyetik rezonans görüntüleme (NM-MRG), bu dopaminerjik nöronlardaki nöromelanini ölçmek için invaziv olmayan bir yöntemdir, substantia nigra’daki dopaminerjik hücre kaybının doğrudan bir ölçüsünü ve dopamin fonksiyonunun bir vekil ölçüsünü sağlar. NM-MRG’nin çeşitli nöropsikiyatrik bozuklukları incelemek için yararlı olduğu gösterilmiş olmasına rağmen, substantia nigra’nın bir kısmının kazara dışlanmasından kaynaklanan potansiyel veri kaybına neden olan aşağı-üstün yönde sınırlı bir görüş alanı ile zorlanmaktadır. Ek olarak, alan, NM-MRI verilerinin elde edilmesi için standartlaştırılmış bir protokolden yoksundur; bu, büyük ölçekli çok bölgeli çalışmaları ve kliniğe çeviriyi kolaylaştırmada kritik bir adımdır. Bu protokol, tüm substantia nigra’yı kapsayan kaliteli verilerin elde edilmesini sağlamak için adım adım NM-MRI hacim yerleştirme prosedürünü ve çevrimiçi kalite kontrol kontrollerini açıklamaktadır.

Introduction

Nöromelanin (NM), substantia nigra’nın (SN) dopaminerjik nöronlarında ve locus coeruleus’un (LC) noradrenerjik nöronlarında bulunan koyu renkli bir pigmenttir 1,2. NM, sitozolik dopamin ve norepinefrinin demire bağımlı oksidasyonu ile sentezlenir ve soma3’teki otofajik vakuollerde depolanır. İlk olarak insanlarda 2-3 yaş civarında ortaya çıkar ve 1,4,5 yaşla birlikte birikir.

SN ve LC nöronlarının NM içeren vakuolleri içinde NM, demir ile kompleksler oluşturur. Bu NM-demir kompleksleri paramanyetiktir ve manyetik rezonans görüntüleme (MRG) kullanılarak NM’nin noninvaziv olarak görselleştirilmesine izin verir6,7. NM’yi görselleştirebilen MRI taramaları, NM’ye duyarlı MRI (nm-mri) olarak bilinir ve yüksek NM konsantrasyonuna sahip bölgeler (örneğin, SN) ve çevresindeki beyaz madde 8,9 arasında kontrast sağlamak için doğrudan veya dolaylı mıknatıslanma transfer etkilerini kullanır.

Manyetizasyon transfer kontrastı, makromoleküler bağlı su protonları (mıknatıslanma transfer darbeleri tarafından doyurulmuş) ile çevresindeki serbest su protonları arasındaki etkileşimin sonucudur. NM-MRG’de, NM-demir komplekslerinin paramanyetik doğasının, çevredeki serbest su protonlarınınT1’ini kısalttığına ve mıknatıslanma-transfer etkilerinin azalmasına neden olduğuna, böylece daha yüksek NM konsantrasyonuna sahip bölgelerin NM-MRI taramalarında hiperintens göründüğüne inanılmaktadır10. Tersine, SN’yi çevreleyen beyaz madde yüksek bir makromoleküler içeriğe sahiptir, bu da büyük mıknatıslanma-transfer etkilerine neden olur, böylece bu bölgeler NM-MRI taramalarında hipointens görünür, böylece SN ve çevresindeki beyaz madde arasında yüksek kontrast sağlar.

SN’DE, NM-MR, dopaminerjik hücre kaybı11 ve dopamin sistemi fonksiyonu12’nin bir belirtecini sağlayabilir. Bu iki süreç çeşitli nöropsikiyatrik bozukluklarla ilgilidir ve çok sayıda klinik ve klinik öncesi çalışma ile desteklenmektedir. Örneğin, dopamin fonksiyonundaki anormallikler şizofrenide yaygın olarak gözlenmiştir; pozitron emisyon tomografisi (PET) kullanan in vivo çalışmalar, striatal dopamin salınımının arttığını göstermiştir 13,14,15,16 ve dopamin sentez kapasitesinin arttığını göstermiştir 17,18,19,20,21,22 . Ayrıca, ölüm sonrası çalışmalar, şizofreni hastalarının bazal gangliyon23 ve SN 24,25’te tirozin hidroksilaz (dopamin sentezinde rol oynayan hız sınırlayıcı enzim) düzeylerinin arttığını göstermiştir.

Birçok çalışma, özellikle Parkinson hastalığında dopaminerjik hücre kaybı modellerini araştırmıştır. Post-mortem çalışmalar, SN’nin pigmentli dopaminerjik nöronlarının Parkinson hastalığında nörodejenerasyonun birincil bölgesi olduğunu ortaya koymuştur 26,27 ve Parkinson hastalığında SN hücre kaybı normal yaşlanmada hücre kaybı ile ilişkili olmasa da28, hastalığın süresi ile ilişkilidir 29 . Dopaminerjik sistemi araştırmak için kullanılan çoğu yöntemin aksine, invaziv olmama, maliyet etkinliği ve iyonlaştırıcı radyasyon eksikliği, NM-MRG’yi çok yönlü bir biyobelirteç30 yapar.

Bu yazıda açıklanan NM-MRG protokolü, NM-MRG’nin hem denek içi hem de denekler arası tekrarlanabilirliğini arttırmak için geliştirilmiştir. Bu protokol, NM-MRI taramalarının düşük-üstün yönde sınırlı kapsama alanına rağmen, SN’nin tam kapsama alanını sağlar. Protokol, sagital, koronal ve eksenel üç boyutlu (3D) T1 ağırlıklı (T1w) görüntüleri kullanır ve uygun dilim yığını yerleşimini sağlamak için adımlar izlenmelidir. Bu yazıda özetlenen protokol31,32 sayılı birçok çalışmada kullanılmış ve kapsamlı bir şekilde test edilmiştir. Wengler ve ark., NM-MRI görüntülerinin her katılımcıda birkaç gün boyunca iki kez elde edildiği bu protokolün güvenilirliği üzerine bir çalışmayı tamamladı32. Sınıf içi korelasyon katsayıları, ilgi bölgesi (ROI) tabanlı ve vokselistik analizlerin yanı sıra görüntülerdeki yüksek kontrast için bu yöntemin mükemmel test-tekrar test güvenilirliğini göstermiştir.

Protocol

NOT: Bu protokolü geliştirmek için yapılan araştırma, New York Eyaleti Psikiyatri Enstitüsü Kurumsal İnceleme Kurulu yönergelerine (IRB #7655) uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Bir denek protokol videosunun kaydedilmesi için tarandı ve yazılı bilgilendirilmiş onam alındı. Bu protokolde kullanılan MRI tarayıcısı hakkında ayrıntılar için Malzeme Tablosuna bakın. 1. MRG edinme parametreleri Aşağıdaki parametrelerle hazırlanmış bir 3D …

Representative Results

Şekil 4 , psikiyatrik veya nörolojik bozukluğu olmayan 28 yaşındaki bir kadın katılımcının temsili sonuçlarını göstermektedir. NM-MRI protokolü, Şekil 1’de özetlenen protokolün 2. adımını izleyerek elde edilen SN’nin tam kapsamını ve protokolün 3. adımını izleyerek tatmin edici NM-MRI görüntülerini sağlar. SN ile ihmal edilebilir NM konsantrasyonuna sahip komşu beyaz cevher bölgeleri (yani crus cerebri) arasında mükemmel kontra…

Discussion

Dopaminerjik sistem sağlıklı biliş ve nöropsikiyatrik bozukluklarda çok önemli bir rol oynar. Dopaminerjik sistemi in vivo olarak tekrar tekrar araştırmak için kullanılabilecek noninvaziv yöntemlerin geliştirilmesi, klinik olarak anlamlı biyobelirteçlerin gelişimi için kritik öneme sahiptir. Burada açıklanan protokol, kullanılabilir verileri sağlamak için NM-MRI hacminin yerleştirilmesi ve kalite kontrol kontrolleri de dahil olmak üzere SN’nin kaliteli NM-MRI görüntülerini elde etmek …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Horga, NIMH’den (R01-MH114965, R01-MH117323) destek aldı. Dr. Wengler, NIMH’den (F32-MH125540) destek aldı.

Materials

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

References

  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

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

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

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

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image