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Neuroscience

Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

Published: September 8, 2021 doi: 10.3791/62493
Automatic Translation
1, 1, *1,2, *1,2
1New York State Psychiatric Institute, 2Department of Psychiatry, Columbia University
* These authors contributed equally

Summary

Dieses Protokoll zeigt, wie Neuromelanin-empfindliche Magnetresonanztomographen der Substantia nigra gewonnen werden können.

Abstract

Das dopaminerge System spielt eine entscheidende Rolle bei gesunder Kognition (z. B. Belohnungslernen und Unsicherheit) und neuropsychiatrischen Störungen (z. B. Parkinson-Krankheit und Schizophrenie). Neuromelanin ist ein Nebenprodukt der Dopaminsynthese, das sich in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra anreichert. Die Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie (NM-MRT) ist eine nichtinvasive Methode zur Messung von Neuromelanin in diesen dopaminergen Neuronen, die ein direktes Maß für den dopaminergen Zellverlust in der Substantia nigra und ein Proxy-Maß für die Dopaminfunktion liefert. Obwohl sich die NM-MRT als nützlich für die Untersuchung verschiedener neuropsychiatrischer Störungen erwiesen hat, wird sie durch ein begrenztes Sichtfeld in die untergeordnete Richtung herausgefordert, was zum potenziellen Verlust von Daten durch den versehentlichen Ausschluss eines Teils der Substantia nigra führt. Darüber hinaus fehlt dem Feld ein standardisiertes Protokoll für die Erfassung von NM-MRT-Daten, ein entscheidender Schritt zur Erleichterung groß angelegter Multisite-Studien und der Übersetzung in die Klinik. Dieses Protokoll beschreibt ein schrittweises NM-MRT-Volumenplatzierungsverfahren und Online-Qualitätskontrollen, um die Erfassung qualitativ hochwertiger Daten über die gesamte Substantia nigra sicherzustellen.

Introduction

Neuromelanin (NM) ist ein dunkles Pigment, das in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra (SN) und noradrenergen Neuronen des Locus coeruleus (LC)1,2 vorkommt. NM wird durch die eisenabhängige Oxidation von zytosolischem Dopamin und Noradrenalin synthetisiert und in autophagischen Vakuolen im soma3 gespeichert. Es tritt erstmals beim Menschen im Alter von 2-3 Jahren auf und reichert sich mit dem Altervon 1,4,5 Jahren an.

Innerhalb der NM-haltigen Vakuolen von SN- und LC-Neuronen bildet NM Komplexe mit Eisen. Diese NM-Eisen-Komplexe sind paramagnetisch und ermöglichen eine nichtinvasive Visualisierung der NM mittels Magnetresonanztomographie (MRT)6,7. MRT-Scans, die NM visualisieren können, werden als NM-sensitive MRT (NM-MRT) bezeichnet und verwenden entweder direkte oder indirekte Magnetisierungstransfereffekte, um einen Kontrast zwischen Regionen mit hoher NM-Konzentration (z. B. SN) und der umgebenden weißen Substanz zu erzeugen 8,9.

Der Magnetisierungstransferkontrast ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen makromolekular gebundenen Wasserprotonen (die durch die Magnetisierungstransferpulse gesättigt sind) und den umgebenden freien Wasserprotonen. In der NM-MRT wird angenommen, dass die paramagnetische Natur von NM-Eisen-Komplexen dasT1 der umgebenden freien Wasserprotonen verkürzt, was zu reduzierten Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass Regionen mit höherer NM-Konzentration auf NM-MRT-Scans hyperintensiv erscheinen10. Umgekehrt hat die weiße Substanz, die das SN umgibt, einen hohen makromolekularen Gehalt, was zu großen Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass diese Regionen auf NM-MRT-Scans hypointensiv erscheinen und somit einen hohen Kontrast zwischen dem SN und der umgebenden weißen Substanz bieten.

In der SN kann die nm-MRT einen Marker für den dopaminergen Zellverlust11 und die Dopaminsystemfunktion12 liefern. Diese beiden Prozesse sind für mehrere neuropsychiatrische Erkrankungen relevant und werden durch eine Vielzahl klinischer und präklinischer Arbeiten unterstützt. Zum Beispiel wurden Anomalien in der Dopaminfunktion bei Schizophrenie häufig beobachtet; In-vivo-Studien mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) haben eine erhöhte striatale Dopaminfreisetzung 13,14,15,16 und eine erhöhte Dopaminsynthesekapazität gezeigt 17,18,19,20,21,22 . Darüber hinaus haben Post-mortem-Studien gezeigt, dass Patienten mit Schizophrenie erhöhte Spiegel von Tyrosinhydroxylase - dem geschwindigkeitsbegrenzenden Enzym, das an der Dopaminsynthese beteiligt ist - in den Basalganglien23 und SN24,25 haben.

Mehrere Studien haben Muster des dopaminergen Zellverlusts untersucht, insbesondere bei der Parkinson-Krankheit. Post-mortem-Studien haben gezeigt, dass die pigmentierten dopaminergen Neuronen des SN der primäre Ort der Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit sind26,27, und dass, während der SN-Zellverlust bei der Parkinson-Krankheit nicht mit dem Zellverlust bei normalem Altern korreliert ist 28, sondern mit der Dauer der Krankheitkorreliert ist 29 . Im Gegensatz zu den meisten Methoden zur Untersuchung des dopaminergen Systems machen die Nichtinvasivität, die Kosteneffizienz und das Fehlen ionisierender Strahlung die NM-MRT zu einem vielseitigen Biomarker30.

Das in dieser Arbeit beschriebene NM-MRT-Protokoll wurde entwickelt, um sowohl die Reproduzierbarkeit der NM-MRT innerhalb als auch zwischen den Probanden zu erhöhen. Dieses Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN trotz der begrenzten Abdeckung von NM-MRT-Scans in die untergeordnete Richtung. Das Protokoll verwendet sagittale, koronale und axiale dreidimensionale (3D) T1-gewichtete (T1w) Bilder, und die Schritte sollten befolgt werden, um eine korrekte Platzierung des Slice-Stacks zu erreichen. Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll wurde in mehreren Studien31,32 verwendet und ausgiebig getestet. Wengler et al. führten eine Studie zur Zuverlässigkeit dieses Protokolls durch, bei der NM-MRT-Bilder bei jedem Teilnehmer zweimal über mehrere Tage hinweg aufgenommen wurden32. Intra-Klassen-Korrelationskoeffizienten zeigten eine ausgezeichnete Test-Retest-Zuverlässigkeit dieser Methode für ROI-basierte und voxelweise Analysen sowie einen hohen Kontrast in den Bildern.

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Protocol

HINWEIS: Die zur Entwicklung dieses Protokolls durchgeführte Forschung wurde in Übereinstimmung mit den Richtlinien des New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655) durchgeführt. Eine Person wurde für die Aufnahme des Protokollvideos gescannt und eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Weitere Informationen zum in diesem Protokoll verwendeten MRT-Scanner finden Sie in der Materialtabelle .

1. MRT-Erfassungsparameter

  1. Bereiten Sie die Aufnahme hochauflösender T1w-Bilder mit einer 3D-Magnetisierungs-MPRAGE-Sequenz (Rapid Acquisition Gradient Echo) mit den folgenden Parametern vor: räumliche Auflösung = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; Sichtfeld (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; Echozeit (TE) = 3,43 ms; Wiederholzeit (TR) = 2462 ms; Inversionszeit (TI) = 1060 ms; Flip-Winkel = 8°; In-Plane-Parallel-Imaging-Faktor (ARC) = 2; Through-Plane-Parallel-Imaging-Faktor (ARC) = 233; Bandbreite = 208 Hz/Pixel; Gesamterfassungszeit = 6 min 39 s.
  2. Bereiten Sie die Aufnahme von NM-MRT-Bildern mit einer zweidimensionalen (2D) Gradienten-Echosequenz mit Magnetisierungsübertragungskontrast (2D GRE-MTC) mit den folgenden Parametern vor: Auflösung = 0,43 x 0,43 mm2; Sichtfeld = 220 x 220 mm2; Scheibendicke = 1,5 mm; 20 Scheiben; Scheibenspalt = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; Flip-Winkel = 40°; Bandbreite = 122 Hz/Pixel; MT-Frequenzversatz = 1,2 kHz; MT-Pulsdauer = 8 ms; MT Flip-Winkel = 670°; Anzahl der Durchschnittswerte = 5; Gesamterfassungszeit = 10 min 4 s.
    HINWEIS: Obwohl die angezeigten Ergebnisse diese MRT-Erfassungsparameter verwendeten, ist dieses Protokoll für verschiedene T1w- und NM-MRT-Bildgebungsprotokolle gültig. Das NM-MRT-Protokoll sollte ~25 mm in der untergeordneten Richtung abdecken, um eine vollständige Abdeckung des SN zu gewährleisten.

2. Platzierung des NM-MRT-Volumens

  1. Nehmen Sie ein hochauflösendes T1w-Bild auf (≤1 mm isotrope Voxelgröße). Verwenden Sie die Online-Neuformatierung direkt nach der Bildaufnahme, um hochauflösende T1w-Bilder zu erstellen, die auf die AC-PC-Linie (Anterior Commissure-posterior Commissure) und die Mittellinie ausgerichtet sind.
    1. Führen Sie eine Online-Neuformatierung mit der vom Hersteller bereitgestellten Software durch (z. B. bei der Erfassung von Daten auf einem GE-Scanner: MultiPlanare Rekonstruktion (MPR) in Planung; bei der Erfassung von Daten auf einem Siemens-Scanner: MPR in der 3D-Taskkarte; bei der Erfassung von Daten auf einem Philips-Scanner: MPR im Rendermodus des VolumeView-Pakets).
      1. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der axialen Ebene senkrecht zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimaler Schnittlücke abzudecken.
      2. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der koronalen Ebene senkrecht zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimalem Schnittspalt abzudecken.
      3. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der sagittalen Ebene parallel zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimaler Schnittlücke abzudecken.
  2. Laden Sie die sagittale, koronale und axiale Ansicht des neu formatierten hochauflösenden T1w-Bildes, und stellen Sie sicher, dass Referenzlinien vorhanden sind, die die Position jedes angezeigten Segments darstellen.
  3. Identifizieren Sie das sagittale Bild, das die größte Trennung zwischen Mittelhirn und Thalamus zeigt (Abbildung 1A). Untersuchen Sie dazu visuell die sagittalen Schnitte des neu formatierten T1w-Bildes, bis das Segment identifiziert ist, das diese größte Trennung zeigt.
  4. Identifizieren Sie anhand des sagittalen Bildes vom Ende von Schritt 2.3 visuell die koronale Ebene, die den vorderen Aspekt des Mittelhirns abgrenzt (Abbildung 1B).
  5. Identifizieren Sie anhand des koronalen Bildes vom Ende von Schritt 2.4 visuell die axiale Ebene, die den unteren Aspekt des dritten Ventrikels abgrenzt (Abbildung 1C).
  6. Richten Sie auf dem sagittalen Bild vom Ende von Schritt 2.3 die obere Grenze des NM-MRT-Volumens an der in Schritt 2.5 identifizierten axialen Ebene aus (Abbildung 1D).
  7. Verschieben Sie die obere Grenze des NM-MRT-Volumens um 3 mm in die obere Richtung (Abbildung 1E).
  8. Richten Sie das NM-MRT-Volumen an der Mittellinie in den axialen und koronalen Bildern aus (Abbildung 1F).
  9. Nehmen Sie die NM-MRT-Bilder auf.

Figure 1
Abbildung 1: Bilder, die das Schritt-für-Schritt-Verfahren zur NM-MRT-Volumenplatzierung zeigen. Gelbe Linien zeigen die Position der Slices an, die für die Volume-Platzierung verwendet werden, wie im Protokoll beschrieben. (A) Zuerst wird das sagittale Bild mit der größten Trennung zwischen Mittelhirn und Thalamus identifiziert (Schritt 2.3 des Protokolls). (B) Zweitens wird anhand des Bildes von A die koronale Ebene identifiziert, die den vorderen Aspekt des Mittelhirns abgrenzt (Schritt 2.4). (C) Drittens wird auf dem koronalen Bild der in B identifizierten Ebene die axiale Ebene identifiziert, die den unteren Aspekt des dritten Ventrikels abgrenzt (Schritt 2.5). (D) Viertens wird die in C identifizierte axiale Ebene auf dem sagittalen Bild von A angezeigt (Schritt 2.6). (E) Fünftens ist die axiale Ebene von D um 3 mm in die übergeordnete Richtung verschoben, und diese Ebene zeigt die obere Grenze des NM-MRT-Volumens an (Schritt 2.7). (F) Die endgültige NM-MRT-Volumenplatzierung, wobei das koronale Bild C, das sagittale Bild A und das axiale Bild der axialen Ebene in E entspricht. Das NM-MRT-Volumen ist in den koronalen und axialen Bildern auf die Mittellinie des Gehirns und im sagittalen Bild auf die AC-PC-Linie ausgerichtet (Schritt 2.8). Ein Teil dieser Abbildung wurde mit Genehmigung von Elsevier von 30 nachgedruckt. Abkürzungen: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie; AC-PC = vordere Kommissur-posteriore Kommissur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

3. Qualitätskontrolle

  1. Stellen Sie sicher, dass die aufgenommenen NM-MRT-Bilder das gesamte SN abdecken und dass das SN in den zentralen Bildern sichtbar ist, aber nicht in den überlegensten oder unterlegensten Bildern des NM-MRT-Volumens. Andernfalls (Abbildung 2) wiederholen Sie die Schritte 2.3-2.9, um die korrekte Platzierung des NM-MRT-Volumens sicherzustellen. Wenn sich der Teilnehmer seit der Erfassung des hochauflösenden T1w-Scans erheblich bewegt hat, wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.9.

Figure 2
Abbildung 2: Beispiel einer NM-MRT-Erfassung, bei der die erste Qualitätskontrolle (Schritt 3.1 des Protokolls) nicht bestanden wurde. Jeder der 20 NM-MRT-Schnitte wird von den unterlegensten (Bild oben links) bis zum überlegensten (Bild unten rechts) angezeigt; Das Bildfenster/die Bildebene wurde so eingestellt, dass der Kontrast zwischen der Substantia Nigra und dem Crus Cerebri übertrieben wird. Die orangefarbenen Pfeile in den Scheiben 15-19 zeigen die Position der Substantia nigra in diesen Scheiben. Der rote Pfeil in der überlegensten Scheibe (Scheibe 20) zeigt, dass die Substantia nigra in dieser Scheibe noch sichtbar ist und somit die Erfassung die Qualitätsprüfung nicht besteht. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

  1. Suchen Sie nach Artefakten, insbesondere solchen, die durch das SN und die umgebende weiße Substanz gehen, indem Sie jeden Ausschnitt des erworbenen NM-MRT-Scans visuell untersuchen.
    1. Suchen Sie nach abrupten Änderungen der Signalintensität mit einem linearen Muster, das die normalen anatomischen Grenzen nicht respektiert. Dies kann beispielsweise als ein Bereich mit geringer Intensität erscheinen, der von zwei Bereichen mit hoher Intensität flankiert wird.
    2. Wenn das Artefakt das Ergebnis von Blutgefäßen ist (Abbildung 3A), behalten Sie die NM-MRT-Bilder bei, da diese Artefakte höchstwahrscheinlich immer vorhanden sein werden.
    3. Wenn die Artefakte das Ergebnis einer Kopfbewegung des Teilnehmers sind (Abbildung 3B), erinnern Sie den Teilnehmer daran, so ruhig wie möglich zu bleiben und die NM-MRT-Bilder gemäß Schritt 3.2.5 erneut aufzunehmen.
    4. Wenn die Artefakte mehrdeutig sind (Abbildung 3C), nehmen Sie die NM-MRT-Bilder gemäß Schritt 3.2.5 erneut auf. Wenn die Artefakte bei der Wiederaufnahme vorhanden bleiben, fahren Sie mit diesen Bildern fort, da sie wahrscheinlich biologisch und nicht das Ergebnis von Akquisitionsproblemen sind.
    5. Wenn die NM-MRT-Bilder die Qualitätskontrolle in Schritt 3.1 bestehen, kopieren Sie die vorherige NM-MRT-Volumenplatzierung. Wenn die NM-MRT-Bilder die Qualitätskontrolle in Schritt 3.1 nicht bestehen, wiederholen Sie die Schritte 2.3-2.9, um die korrekte Platzierung des NM-MRT-Volumens sicherzustellen (oder die Schritte 2.1-2.9, wenn sich der Teilnehmer signifikant bewegt hat).

Figure 3
Abbildung 3: Beispiele für NM-MRT-Erfassungen, bei denen die zweite Qualitätskontrolle (Schritt 3.2 des Protokolls) nicht bestanden wurde. Für jeden Fall wird nur ein repräsentatives Segment angezeigt. (A) Eine NM-MRT-Akquisition, die die Qualitätskontrolle aufgrund eines Blutgefäßartefakts (rote Pfeile) nicht besteht, das das Ergebnis des Blutgefäßes ist, das durch die blauen Pfeile identifiziert wurde. (B) Eine NM-MRT-Erfassung, die die Qualitätskontrolle aufgrund von Bewegungsartefakten (rote Pfeile) nicht besteht. (C) Eine NM-MRT-Erfassung, die die Qualitätskontrolle aufgrund eines mehrdeutigen Artefakts (rote Pfeile) nicht besteht. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

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Representative Results

Abbildung 4 zeigt die repräsentativen Ergebnisse einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Störungen. Das NM-MRT-Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN, die durch Befolgen von Schritt 2 des in Abbildung 1 dargestellten Protokolls erreicht wird, und zufriedenstellende NM-MRT-Bilder durch Befolgen von Schritt 3 des Protokolls. Ein ausgezeichneter Kontrast zwischen dem SN und benachbarten Regionen der weißen Substanz mit vernachlässigbarer NM-Konzentration (d.h. crus cerebri) ist zu sehen. Diese Bilder wurden sofort nach der Aufnahme überprüft, um die ordnungsgemäße Abdeckung des SN zu gewährleisten und nach Artefakten zu suchen. Da die vollständige Abdeckung des SN ohne Artefakte erreicht wurde, bestand der Scan die Qualitätsprüfungen und musste nicht wiederholt werden.

Figure 4
Abbildung 4: Beispiel einer repräsentativen NM-MRT-Akquisition. Jeder der 20 NM-MRT-Schnitte wird von den unterlegensten (Bild oben links) bis zum überlegensten (Bild unten rechts) angezeigt; Das Bildfenster / die Ebene wurde eingestellt, um den Kontrast zwischen der Substantia Nigra und dem Crus cerebri einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Störungen zu übertreiben. Das NM-MRT-Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung der Substantia nigra, eine teilweise Abdeckung des Locus coeruleus und zufriedenstellende NM-MRT-Bilder. Ein ausgezeichneter Kontrast zwischen der Substantia nigra und benachbarten Regionen der weißen Substanz ohne Neuromelaninkonzentration (d. H. Crush cerebrus) kann auf den Scheiben 9-16 beobachtet werden. Das Bild unten zeigt eine vergrößerte Ansicht des Mittelhirns aus Scheibe 13. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2 zeigt die repräsentativen Ergebnisse einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Erkrankungen, deren Bilder die erste Qualitätskontrolle nicht bestanden haben (Schritt 3.1). Der SN ist in der übergeordneten Scheibe (Scheibe 20) sichtbar, was darauf hinweist, dass die vollständige Abdeckung des SN nicht erreicht wurde. In diesem Fall müssen die Daten erneut erfasst werden, indem die Schritte 2.3 bis 2.9 des Protokolls wiederholt werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn sich der Teilnehmer seit der Aufnahme des ersten T1w-Bildes erheblich bewegt hat, sollte der Forscher zu Schritt 2.1 zurückkehren, um das T1w-Bild erneut zu erfassen.

Abbildung 3 zeigt Beispielbilder, die bei der zweiten Qualitätskontrolle (Schritt 3.2) nicht bestanden haben. Wie in Schritt 3.2 beschrieben, müssen Scans, die Artefakte aufgrund von Blutgefäßen enthalten (Abbildung 3A), nicht wiederholt werden, da diese Artefakte wahrscheinlich in jeder Erfassung vorhanden sein werden. Scans, die Artefakte enthalten, die aus Bewegung (Abbildung 3B) oder mehrdeutigen Artefakten (Abbildung 3C) resultieren, sollten wiederholt werden. Im Falle von mehrdeutigen Artefakten, wenn die Artefakte nach der Wiedererfassung vorhanden bleiben, muss der Scan nicht weiter erworben werden, da die Artefakte wahrscheinlich biologisch sind und daher in jedem Erwerb vorhanden sein werden.

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Discussion

Das dopaminerge System spielt eine entscheidende Rolle bei gesunden Kognitions- und neuropsychiatrischen Störungen. Die Entwicklung nichtinvasiver Methoden, mit denen das dopaminerge System in vivo wiederholt untersucht werden kann, ist entscheidend für die Entwicklung klinisch bedeutsamer Biomarker. Das hier beschriebene Protokoll liefert Schritt-für-Schritt-Anleitungen für die Aufnahme von NM-MRT-Bildern der SN in guter Qualität, einschließlich der Platzierung des NM-MRT-Volumens und Qualitätskontrollen, um verwertbare Daten sicherzustellen.

Auch wenn detaillierte Protokolle für die Analyse von NM-MRT-Daten an anderer Stelle diskutiert wurden, geben wir der Vollständigkeit halber eine kurze Zusammenfassung unserer bisherigen Arbeiten und Empfehlungen für die Vorverarbeitung von NM-MRT-Bildern und voxelweisen Analysen. Dieser Ansatz wurde zuvor in Verbindung mit dem in diesem Dokument beschriebenen Erfassungsprotokoll validiert. Frühere Studien diskutieren die Vorteile dieser Methode genauer und liefern Daten, die ihre Reproduzierbarkeit unterstützen 6,12,32. Beachten Sie jedoch, dass das hierin beschriebene standardisierte Erfassungsprotokoll auf jede Verarbeitungs- und Analysestrategie (einschließlich ROI-basierter Analyse im nativen oder MNI-Bereich 8,32) anwendbar ist und nicht nur auf die hier beschriebene.

Für die Analyse von NM-MRT-Bildern kann eine Vorverarbeitung durchgeführt werden, um Bewegungen zu korrigieren und einzelne Probandendaten räumlich auf eine anatomische Standardvorlage zu normalisieren. Wir empfehlen die folgende Pipeline, die Statistical Parametric Mapping (SPM) und Advanced Normalization Tools (ANTs) kombiniert, um die folgenden Tools in den folgenden Schritten zu verwenden: (1) SPM-Realign zum Neuausrichten und Korrigieren separat erfasster Mittelwerte für Bewegungen und SPM-ImCalc zum Mittelwert der neu ausgerichteten Bilder; (2) antsBrainExtraction.sh für die Gehirnextraktion des T1w-Bildes; (3) antsRegistrationSyN.sh (rigid + affine + deformable syn) zur räumlichen Normalisierung des vom Gehirn extrahierten T1w-Bildes in den MNI152NLin2009cAsym-Vorlagenraum; (4) antsRegistrationSyN.sh (starr), um das NM-MRT-Bild mit dem T1w-Bild (im nativen Raum) zu registrieren; (5) antsApplyTransforms, um die in den Schritten 3 und 4 geschätzten Transformationen zu einer einstufigen Transformation zur räumlichen Normalisierung der NM-MRT-Bilder in den MNI-Raum zu kombinieren; und (6) SPM-Smooth mit einem Gaußkern mit 1 mm voller Breite bei der Hälfte zur räumlichen Glättung des räumlich normalisierten NM-MRT-Bildes. Es wurde bereits gezeigt, dass diese Verarbeitungspipeline die höchste Test-Retest-Zuverlässigkeit in der Literatur erreicht, mit einem durchschnittlichen klasseninternen Korrelationskoeffizienten (ICC) innerhalb des SN von ~0,9032. Darüber hinaus haben mehrere frühere Studien ähnliche Vorverarbeitungspipelines 12,31,34,35,36,37 verwendet.

Nach der räumlichen Normalisierung sollten die NM-MRT-Bilder analysiert werden, indem das Kontrast-Rausch-Verhältnis an jedem Voxel (CNRV) berechnet wird. Der CNR misst die prozentuale Signaldifferenz zwischen jedem Voxel (I V) und einer Referenzregion der weißen Substanz, von der bekannt ist, dass sie einen geringen NM-Gehalt 12 aufweist (crus cerebri, I CC), gegeben durch die folgende Formel: CNR V = {[I V- mode(I CC)] / mode (I CC)}*100. CNRV-Werte können für jeden Teilnehmer gemittelt werden, um den CNR des gesamten SN zu bestimmen, oder können auf voxelweiser Ebene innerhalb des SN analysiert werden. Höhere CNR-Werte spiegeln einen erhöhten NM-Gehalt in diesem Voxel oder ROI wider. Im Gegensatz zu einigen anderen Analysemethoden, die den SN-ROI als hyperintensive Region in einem NM-MRT-Bild definieren, verwendet diese empfohlene Methode vordefinierte Vorlagen-ROIs, die aus der Literatur12 gewonnen oder auf den Durchschnitt der NM-MRT-Bilder im MNI-Raum über alle Probanden in der Studie gezeichnet werden können (unter Verwendung einer studienspezifischen Vorlage). Diese Methode ist nicht nur vollständig automatisiert, sondern beseitigt auch die Zirkularität in der Analyse, berücksichtigt die Heterogenität innerhalb des SN-VTA-Komplexes und beschränkt die Analyse nicht auf die gesamte ROI-Ebene. 

Bei der Aufnahme von NM-MRT-Bildern ist es wichtig, dass die T1w-Bilder, die zur Platzierung des NM-MRT-Volumens verwendet werden, entlang der AC-PC-Linie ausgerichtet sind. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit der Scans verbessert. Es ist auch wichtig, die T1w-Bilder so nah wie möglich vor der Aufnahme der NM-MRT-Bilder aufzunehmen. Da das T1w-Bild für die NM-MRT-Volumenplatzierung verwendet wird, ist es wichtig, dass es die Position des Kopfes des Teilnehmers im Scanner genau darstellt. Wenn sich der Teilnehmer zwischen dem T1w-Scan und dem NM-MRT-Scan bewegt hat, wird das NM-MRT-Volumen nicht angemessen platziert. Die Minimierung der Zeit zwischen der Aufnahme der T1w-Bilder und der NM-MRT-Bilder verringert die Wahrscheinlichkeit, dass sich der Teilnehmer zwischen den Scans bewegt hat, und verringert somit die Wahrscheinlichkeit, dass ein Teil des SN nicht im NM-MRT-Volumen enthalten ist.

Einige Änderungen am Protokoll können erforderlich sein, wenn Probleme mit der NM-MRT-Erfassung auftreten. Wenn das gesamte SN auch nach Korrektur der Volumenplatzierung nicht konsistent abgedeckt wird, muss möglicherweise die Anzahl der Schnitte im NM-MRT-Protokoll erhöht werden, um das gesamte SN zu erfassen. Wenn der Teilnehmer Schwierigkeiten hat, während der gesamten NM-MRT-Untersuchung still zu bleiben, was zu konsistenten Bewegungsartefakten führt, können individuelle Wiederholungen erfasst und offline gemittelt werden. Anstatt beispielsweise einen 10-minütigen Scan durchzuführen, der fünf online gemittelte Wiederholungen erfasst, könnten fünf 2-Minuten-Scans erfasst und offline gemittelt werden. Dies würde dem Teilnehmer Möglichkeiten für Pausen zwischen den Wiederholungen geben und kann ihm helfen, für die Dauer der einzelnen Scans ruhig zu bleiben.

Eine Einschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass es die LC nicht vollständig mit Standard-NM-MRT-Erfassungsprotokollen abdeckt, was verhindert, dass das noradrenerge System mit dieser Methode gründlich untersucht wird. Während die LC eine Struktur ist, die mit NM-MRT abgebildet werden kann, würde die Einbeziehung der LC in dieses Protokoll die Anzahl der Slices erhöhen, die erforderlich sind, um sowohl das SN als auch das LC in ihrer Gesamtheit zuverlässig zu erfassen. Eine Erhöhung der Anzahl der Slices würde wiederum die Scanzeit für dieses Protokoll erhöhen. Da diese Scans bewegungsempfindlich sind, kann eine Verlängerung der Scanzeit zu Bildern von geringerer Qualität führen, da es für die Teilnehmer schwieriger sein kann, länger still zu bleiben - besonders problematisch in klinischen Populationen. Daher haben wir uns entschieden, die LC nicht in dieses Protokoll aufzunehmen, um das Potenzial für Bewegungsartefakte in den Daten zu minimieren. Zukünftige Studien sollten die Zuverlässigkeit von NM-MRT-Protokollen mit einer größeren Anzahl von Schnitten untersuchen, um SN und LC gleichzeitig abzubilden.

Eine zweite Einschränkung dieses Protokolls besteht darin, dass die AC-PC-Ausrichtung des NM-MRT-Volumens möglicherweise nicht die optimale Orientierung für die Bildgebung des SN bietet. Während die AC-PC-Linie leicht zu identifizieren ist, minimiert diese Ausrichtung Teilvolumeneffekte nicht vollständig, da sie nicht perfekt senkrecht zum SN steht. Frühere Arbeiten haben einen schrägen axialen Schnitt senkrecht zum Boden des vierten Ventrikels verwendet, um den SN38,39,40 abzubilden. Während diese Volumenplatzierung oder eine senkrecht zum zerebralen Aquädukt weniger partielle Volumeneffekte als die AC-PC-Ausrichtung bieten kann, haben wir uns aufgrund ihrer klar definierten Orientierungspunkte für die AC-PC-Linie entschieden. Die Gültigkeit dieser Ausrichtung wurde in früheren Arbeiten unter Verwendung des oben beschriebenen Protokolls gezeigt, in denen eine ausgezeichnete Test-Retest-Zuverlässigkeit erreicht wurde32. Die AC-PC-Ausrichtung wurde auch in mehreren anderen Studien verwendet. Cassidy et al. fanden heraus, dass Patienten mit Kokainabhängigkeit höhere SN-CNR-Werte aufwiesen als Kontrollen35. In einer Studie an Patienten mit Depressionen im späten Lebensalter fanden Wengler et al. heraus, dass die psychomotorische Funktion mit den SN-CNR-Wertenkorreliert war 36. Eine dritte Arbeit fand auch heraus, dass Parkinson-Patienten CNR im SN reduziert hatten, während Patienten mit Psychose CNR im SN12 erhöht hatten.

In keiner Studie wurden jedoch verschiedene Volumenplatzierungsmethoden direkt verglichen, und dies ist ein Bereich, den zukünftige Forschungen untersuchen sollten, um festzustellen, welche Methode die beste Test-Retest-Zuverlässigkeit über mehrere Akquisitionen hinweg bietet. 3D-NM-MRT-Sequenzen könnten eine alternative Lösung darstellen, da sie eine größere Flexibilität bei der Neuformatierung nach der Aufnahme bieten. Darüber hinaus erreichen 3D-Sequenzen ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis als 2D-Sequenzen, was möglicherweise eine höhere räumliche Auflösung ermöglicht, aber auf Kosten einer erhöhten Bewegungsempfindlichkeit geht. Derzeit ist 2D-GRE MT die einzige umfassend validierte NM-MRT-Sequenz – der motivierende Faktor, sie für dieses Protokoll zu verwenden. Zukünftige Studien sollten das NM-MRT-Signal von 3D-Sequenzen mit der NM-Konzentration und der striatalen Dopaminfunktion sowie der Reproduzierbarkeit im Vergleich zu 2D-GRE MT vor einer breiten Einführung vergleichen.

Dieses Protokoll hat Vorteile gegenüber anderen NM-MRT-Protokollen, da es leicht identifizierbare Orientierungspunkte für die NM-MRT-Volumenplatzierung bietet, wodurch es in hohem Maße reproduzierbar ist. Es bietet auch Online-Qualitätsprüfungen, die kein anderes NM-MRT-Protokoll enthalten hat. Diese Qualitätsprüfungen ermöglichen es dem Experimentator, Bilder erneut zu erfassen, wenn sie von schlechter Qualität sind, anstatt dieses Subjekt einfach von der Analyse auszuschließen.

NM-MRT ist ein wertvolles Werkzeug, das zur Untersuchung mehrerer neuropsychiatrischer Störungen eingesetzt wurde. NM-MRT ist ein Proxy-Maß für die Dopaminfunktion im nigrostriatalen Signalweg12 und bietet somit eine Methode zur Untersuchung des in vivo dopaminergen Systems, die keine invasiven Verfahren wie PET erfordert. Patienten mit Schizophrenie haben ein erhöhtes NM-Signal im SN38,41, was frühere Studien unterstützt, die eine erhöhte dopaminerge Funktion bei Schizophrenie gezeigt haben. Das NM-MRT-Signal im SN korreliert auch mit dem Schweregrad der Psychose bei Patienten mit Schizophrenie und Patienten mit hohem Risiko für Schizophrenie12. Die Forschung hat auch gezeigt, dass Personen mit Kokainkonsumstörung ein erhöhtes NM-MRT-Signal in den ventrolateralen Regionen des SN35 haben und dass bei Patienten mit Depressionen im späten Leben ein niedrigeres NM-MRT-Signal im SN mit einer motorischen Verlangsamung korreliertist 36. Darüber hinaus wurde NM-MRT verwendet, um den dopaminergen Zellverlust bei Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit zu untersuchen.

Kitao und Kollegen stellten fest, dass das NM-MRT-Signal im SN mit der Anzahl der pigmentierten dopaminergen Neuronen im SN11 korreliert, und andere haben gezeigt, dass das NM-MRT-Signal in dopaminergen SN-Neuronen bei der Parkinson-Krankheitverringert ist 6,9,39,40. Weitere Forschungen an Parkinson-Patienten haben NM-MRT verwendet, um das topographische Muster des SN-Zellverlustes12 und das Fortschreiten des SN-Zellverlusts im Verlauf der Krankheit abzubilden37. Insgesamt deutet dies darauf hin, dass die NM-MRT nicht nur einen Einblick in die zugrunde liegenden chemischen Komponenten neuropsychiatrischer Erkrankungen bietet, sondern auch als Biomarker bei der Vorhersage von Krankheitsbeginn und -schwere nützlich sein kann. Wir hoffen, dass das hier vorgestellte standardisierte Protokoll zukünftige Arbeiten zur Entwicklung klinisch nützlicher Biomarker auf Basis von NM-MRI30 erleichtern wird.

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Disclosures

Dr. Horga und Dr. Wengler berichteten jeweils über Patente für die Analyse und Verwendung von Neuromelanin-Bildgebung bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems (WO2021034770A1, WO2020077098A1), die an Terran Biosciences lizenziert waren, aber keine Lizenzgebühren erhalten haben.

Acknowledgments

Dr. Horga erhielt Unterstützung vom NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Unterstützung erhielt Dr. Wengler vom NIMH (F32-MH125540).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3T Magnetic Resonance Imaging General Electric GE SIGNA Premier with 48-channel head coil

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References

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Neurowissenschaften Ausgabe 175
Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra
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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).

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