Vi presenterer en ny PET billeddiagnostikk tilnærming for å fange dopamin svingninger forårsaket av sigarettrøyking. Emner røyke i PET-skanner. Dynamiske PET-bildene blir modellert voksel-by-voksel i tid av LP-ntPET, som omfatter en tidsvarierende dopamin sikt. Resultatene er 'filmer' av dopamin svingninger i striatum under røyking.
Vi beskriver eksperimentelle og statistiske trinnene for å opprette dopamin filmer av hjernen fra dynamiske PET data. Filmene representerer minutt-til-minutt svingninger av dopamin indusert ved å røyke en sigarett. Røyker er avbildet under en naturlig smoking opplevelse mens andre mulige konfunderende effekter (for eksempel hode bevegelse, forventning, nyhet, eller aversjon mot å røyke flere ganger) er minimert.
Vi presenterer detaljene i vår unike analyse. Konvensjonelle metoder for PET analyse estimat tidsinvariante kinetiske modellparametrene som ikke fanger opp kortsiktige svingninger i neurotransmitterfrigivning. Vår analyse – noe som gir en dopamin film – er basert på vårt arbeid med kinetiske modeller og andre nedbrytningsprodukter teknikker som gjør det mulig for tidsvarierende parametere 1-7. Dette aspektet av analysen – temporal-variant – er nøkkelen til vårt arbeid. Fordi vår modell er også lineær i parametrene, er det praktisk, beregningsmessig, å søke på the voxel nivå. Analysen teknikken består av fem hovedtrinn: pre-prosessering, modellering, statistisk sammenligning, maskering og visualisering. Forbehandling brukes til PET-data med en unik "HYPR 'romlig filter åtte som reduserer romlig støy, men bevarer kritisk temporal informasjon. Modellering identifiserer tidsvarierende funksjon som best beskriver dopamin effekt på 11 C-Raclopride opptak. Den statistiske trinnet sammenligner tilpasning av vår (lp-ntPET) modell 7 til en konvensjonell modell 9. Maskering begrenser behandling til disse voxels best beskrevet av den nye modellen. Visualisering kartlegger dopamin funksjon på hver voxel til en fargeskala og produserer en dopamin film. Foreløpige resultater og prøve dopamin filmer av sigarettrøyking presenteres.
Til tross for overveldende bevis for medisinsk risiko, er tobakksrøyking fortsatt et stort helseproblem. Det er rett og slett veldig vanskelig å slutte å røyke. Over 20% av den voksne amerikanske befolkningen fortsetter å røyke, og de fleste røykere som forsøker å slutte tilbakefall innen den første måneden 10. Dessverre, er det få tilgjengelige behandlinger for å hjelpe til ved røykeavvenning og / eller redusere nikotinavhengighet. I vårt laboratorium, er vi interessert i å bruke PET billeddiagnostikk å forstå avhengighet og avhengighet for å hjelpe til med utviklingen av nye medisiner for røykeslutt og andre narkotika-tar.
Den raske økningen av dopamin i striatum antas å kode vanedannende ansvar av narkotika og atferd 11 og den raske retur av dopamin til baseline kan være relatert til tilbaketrekking og påfølgende narkotika-søkende. For noen vanedannende stoffer og atferd som røyking, er heving av striatal dopamin svært kortvarig (minutter); the størrelsen av økningen ikke er stor (1-2X grunnlinje), og den romlige utstrekningen av disse reaksjoner kan være begrenset til små subregioner av striatum.
Dyreforsøk viser tydelig at nikotin forårsaker dopamin utgivelse i nucleus accumbens av rotter 12. Men tidlige forsøk som bruker konvensjonelle analyser – å estimere dopamin endringer hos mennesker under eller etter nikotin eller røyking har gitt upålitelige og motstridende resultater 13-18. Noen av disse studiene tillot røykere å røyke utenfor skanneren. Andre leveres bare nikotin til emnet. Til beste studie avhengighet til sigaretter, setter vi ut for å utvikle bedre bildebehandling protokoller og utfylle dem med avanserte analyser som ville tillate oss å fange hjernens respons på en kvasi-naturlig røykeatferd.
Positron emisjons tomografi (PET) er unik blant hjernen skanning teknikker i sin evne til å sondere neurochemistry av den menneskelige hjerne < em> in vivo. Mange PET sporstoff eksisterer for å spore dopamin-reseptorer og mange er utsatt for konkurranse med endogent dopamin. Dessverre er de konvensjonelle metoder for PET-bilde-analyse beregne den stabile tilstanden forholdet mellom bundet til fritt sporstoff, kjent som binding potensial (analogt med in vitro-metode), fra dynamiske PET-bildene. En tydelig endring i steady state-forhold (f.eks, fra grunnlinjen til røyking tilstand) er tatt for å indikere dopamin endring. Men dopamin endringer med betydning for avhengighet er iboende forbigående så estimater av en steady-state kvantitet er feil. Videre de typiske region-of-interesse analyse gjennomsnitt tracer konsentrasjon over store anatomisk definerte regioner og vil trolig gå glipp av svært lokaliserte hjernen svar – slik som de vi forventer av sigarettrøyking. Tidligere PET studier av røyking kan også ha lidd av bevegelse av røykernes hodet under røyking på skanneren.
jove_content "> Funksjonell MRI (fMRI) tilbyr den nødvendige romlig og tidsmessig oppløsning som ville være nødvendig for å fange opp hendelser i sub-regioner i striatum på minuttet tid-skala, men fMRI mangler molekylær spesifisitet av PET. Den BOLD signal stammer fra . endringer i blodstrømmen og er derfor neuronally og molekylært uspesifikke Dermed benyttet vi PET – men på en ny måte Målet med denne protokollen var å estimere de korte og lokalisert dopamin svar til røyking fordi de antas å ligge til grunn for den neurochemical manifestasjon av. craving og narkotika-søkende atferd.Å anslå dopamin transienter som er tatt i dynamiske PET-bilder laget med dopamin-reseptorligander, vi tidligere innført en rekke kinetiske modeller, kollektivt referert til som "ntPET" for nevrotransmitter PET 1,5,6,19, som var basert på vanlig to-vev kupé modell, men ble forsterket av vilkår for tid-variasjon i dopamin og samspillet mellom dopamin og tracer (dvs. konkurranse). Disse modellene har blitt validert mot en gullstandard. Konkret har vi vist at våre modeller spår dopamin konsentrasjoner over tid fra PET data fra rotter som er i god overensstemmelse med samtidig ervervet Mikrodialyse målinger 4,7 Fordeler:. Den siste av våre modeller har vært enten lineære og ikke-parametrisk (np -ntPET) pt eller lineær og parametrisk (lp-ntPET) 7. Den sistnevnte modell stammer fra en tidligere lineære modellen innført av Alpert et al. 20.. Linearisering er en viktig utvikling fordi det sikrer at bruk av modellene til dynamiske data på voxel nivå er beregningsmessig enkel. I en fersk proof-of-concept papir, var vi i stand til å skape dopamin filmer av et menneske utfører en motor oppgave 3 og vise at filmene var følsom for timing av motoren oppgave som ville være forventet. Movies er representasjoner av den tiden løpet av dopamin nivåer på hver voksel i et bilde. Voxel-by-Voxel metoder i PET generelt lider av lav signal til støy-forhold, så for å minimere støy som ligger i voxel-baserte tid-aktivitet kurver (totalkvoter), bruker vi en innovativ romlig filter, 'HYPR', 8 som en pre -prosessering trinn. Dette trinnet bevarer viktige timelige egenskapene til de responderer voxels mens man reduserer støy.
Røyking er mer enn nikotinavlevering. Sigaretter inneholder 4000 kjemikalier i tillegg til nikotin. Mens nikotin antas å være hovedansvarlig for den første vanedannende effekter, alle de andre signaler og sensoriske komponenter av røyking blir forsterkende til en vanlig røyker. Vi valgte å studere hele oppførselen til røyking som betydde at vi måtte være i stand til å ta bilder røykerne røykte, mens inne i PET-skanner. Dessverre, med røyking kommer hodet bevegelse. For å eliminere head bevegelsesfeil i bildene våre, bruker vi Vicra motion-tracking system (NDI Systems, Waterloo, Canada) og event-by-event bevegelse korreksjon som en del av en iterativ, oppløsning utvinning rekonstruksjon algoritme 21.
Våre nye skanning og analyse metoder er utviklet for å lokke fram og ta korte og lokalisert dopamin transienter som er de unike signaturer av hjernens respons på vanedannende legemidler og atferd. Fremført voxel-by-voxel, våre modeller produsere et dynamisk sett av bilder av striatum dopamin svingninger – dvs. "dopamin filmer". Disse filmene representerer en ny spatio-temporal biomarkør for avhengighet og kan tjene som en direkte, multidimensjonal indikator på risiko for avhengighet og / eller indikator på behandlingseffekt.
Funn i PET litteratur på dopamin respons til røyking er i strid 13-18. Det kan være mange grunner til dette. Ulike metodiske problemer oppstår med ethvert forsøk på å avbilde sigarettrøyking. I det minste må man kjempe med mulige bevegelsesfeil i dataene, passiv røyking eksponering for forskere, beskjedne og kortvarige endringer i dopamin som forårsaker kun minimale endringer til opptak og retensjon av tracer, 11 C-Raclopride .
Kunstig induksjon av en stor og vedvarende respons av dopamin kan være mulig ved administrering av en intravenøs injeksjon av en stor dose av nikotin. Dette ville imidlertid være i strid med våre underliggende mål å skape dopamin filmer av sigarettrøyking. Vår hensikt var å undersøke så nøye som mulig dopaminerge respons på hele oppførselen til røyking. I forskning på avhengighet, er et viktig skille mellom passiv forvaltningav narkotika til et emne og selvadministrering. Vårt mål var å image selvadministrering – en røyker røyke hans / hennes egen foretrukne merkevare av sigarett – for å fange og karakterisere den korte dopaminergic respons til røyking. PET analyser vanligvis anta at effekten av et medikament eller annen utfordring er langlivede forhold til varigheten til skanningen. Imaging røyking dermed nødvendig innovasjoner innen modellering og eksperimentering med PET.
Kritiske trinn i protokollen vår
Tilrettelegging røyking i skanneren
Maksimere følsomheten til 11 C-Raclopride opptak for små endringer i dopaminnivåer
Begrensninger i tolkningen av det presenterte resultatet
<ol>Det bør bemerkes at konstruere en passende sham røyking tilstand er langt fra enkle. For røykere, kan bare handle om å bringe en utent sigarett til munnen være givende og dermed frigjøre dopamin. Dermed vil en kontroll for bevegelse, men ikke for forventning sannsynligvis være en motor rettet bevegelse av tilsvarende krefter og frekvens som tar drag på en sigarett, men ikke en bevegelse som kunne ikke på noen måte være forbundet med røyking for eksempel å trykke knapp eller manuell manipulering objekt .
Future
jove_content "> Vi har utviklet en ny modell av PET tracer opptak i nærvær av en kortvarig svingning i endogen neurotransmitter nivå. Fordi modellen er lineær i parametere, kan det beregnes hurtig og enkelt på mange voksler. Endepunktet for montering slike en modell til PET data på en voxel-by-voxel basis er en "film". For studier med D2 reseptor indikator, 11 C-Raclopride, er endepunktet en dopamin film. Dopamin er nøkkelen nevrotransmitter involvert i hjernens prosessering givende stimuli som fører til avhengighet. Fordi noen stimuli (særlig sigaretter og alkohol) produserer bare milde og sannsynligvis kortvarig dopamin endringer, kan filmene har sitt største potensial for å studere misbruk av disse to stimuli. Hvis vi kan bruke vår dopamin filmer å identifisere romlige og tidsmessige mønstre av dopamin utgivelse som er tegn på avhengighet eller risiko for misbruk, da disse mønstrene kan tjene som markører for sykdom, risiko for sykdom, og- Forutsatt at mønstrene er reversible – indikatorer på (farmakologisk-eller kognitiv-) behandling effekt.Det er ingenting om våre filmer som begrenser dem til dopamin systemet. Alt som trengs er en PET tracer for et mål av interesse som er følsom for (dvs., lett forskyves ved) svingninger i endogen ligand for samme mål. Til dags dato har det blitt stanse fremdrift for å identifisere PET sporstoff som er pålitelig følsomme for endogene nevrotransmittere andre enn dopamin. En gjennomgang av serotonin litteratur i 2010, for eksempel, malte tankevekkende bilde av vår nåværende begrensede evne til å oppdage serotonin utgivelse med PET 32. Nylig har det vært noen oppmuntrende utviklingstrekk. Et antall publikasjoner har rapportert følsomhet for serotonin sporstoff til forhøyet endogent serotonin i ikke-humane primater 33-36 men feltet venter lignende demonstrasjoner i mennesker. Som vi har diskutert andre steder <sup> 37, følsomhet overfor endringer i endogen neurotransmitter konsentrasjon synes å være sammensatt av en optimal hastighet av forskyvning fra reseptoren kombineres med en enkel av effluks av tracer fra vev til blod. Når serotonin ligander har blitt validert og vist seg å ha slike egenskaper, så serotonin filmer vil også være mulig.
I dag, de fleste PET studier med reseptor-sporstoff føre til generering av parametriske bilder. En parametrisk bilde er et kart over en gitt tracer kinetisk modellparameter evaluert ved hver voksel i legemet (dvs. hjernen). Anvendelse av konvensjonelle modeller som SRTM 38,39 eller en-eller to-vev kupé-modellen gir parametriske bilder av Ri, den regionale flyt parameter, eller BP, den regionale bindende potensiell verdi. Begge disse parametrene er fysiologiske konstanter som antas å representere prosesser som er i steady state. Noen ganger kan imidlertid systemet og / eller prosessen interested er ustø. Det vil si, de er forbigående. Slik tilfellet er med det kortvarige reaksjon av dopamin til røyking. Under slike omstendigheter er det ikke mulig å karakterisere dopamin forbigående med et enkelt parametrisk bilde. Det er heller ikke hensiktsmessig å modellere data med en modell som er strengt tidsinvariante i parametrene. Det er behov for en modell med en tidsvariabel betegnelse på dopamin konsentrasjonsendringer i striatum i respons til røyking. Den naturlige produksjon av en slik modell ved bruk sammen med en dopamin tracer, er en film av dopamin. Dette er en ny form for funksjonell image-utgang som sannsynligvis vil anspore og krever nye former for analyse for å maksimere sin nytte.
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne takker medlemmene av Yale PET senter kjemi team for tracer syntese, bildebehandling team for tracer injeksjon og bildeopptak og Ms Sheila Huang for ekspert flytskjema design.
Mye av utviklingen av ntPET teknikker ble støttet av R21 AA15077 til E. Morris. K. Cosgrove er støttet av K02 DA031750.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Vicra | NDI Systems, Waterloo, Canada | ||
HRRT | Siemens | ||
Air Filter | Movex, Inc, Northampton, PA | LFK 175 | With extractor and clear hood |
11C-raclopride | prepared at Yale PET Center from O-Desmethyl precursor | ||
O-Desmethylraclopride | ABX advanced biochemical compounds, Radeberg, Germany | Product #1510 | Precursor of 11C-raclopride |
Table 1. Materials used. |