Waiting
Processando Login

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

רכישת נתונים מתוקננת להדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין של 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

פרוטוקול זה מראה כיצד להשיג נתוני דימות תהודה מגנטית רגישים לנוירומלנין של הסובסטנטיה ניגרה.

Abstract

המערכת הדופמינרגית ממלאת תפקיד מכריע בקוגניציה בריאה (למשל, למידה מתגמלת וחוסר ודאות) ובהפרעות נוירופסיכיאטריות (למשל, מחלת פרקינסון וסכיזופרניה). נוירומלנין הוא תוצר לוואי של סינתזת דופמין המצטברת בנוירונים דופמינרגיים של הסובסטנטיה ניגרה. דימות תהודה מגנטית רגיש לנוירומלנין (NM-MRI) היא שיטה לא פולשנית למדידת נוירומלנין באותם נוירונים דופמינרגיים, המספקת מדידה ישירה של אובדן תאים דופמינרגיים ב- substantia nigra ומדד פרוקסי של תפקוד הדופמין. למרות ש-NM-MRI הוכח כיעיל לחקר הפרעות נוירופסיכיאטריות שונות, הוא מאותגר על ידי שדה ראייה מוגבל בכיוון נחות-נעלה וכתוצאה מכך אובדן פוטנציאלי של נתונים מהדרה מקרית של חלק מה-substantia nigra. בנוסף, התחום חסר פרוטוקול סטנדרטי לרכישת נתוני NM-MRI, שלב קריטי בהקלה על מחקרים רב-אתריים רחבי היקף ותרגום למרפאה. פרוטוקול זה מתאר שלב אחר שלב נוהל מיקום אמצעי אחסון NM-MRI ובדיקות בקרת איכות מקוונות כדי להבטיח רכישת נתונים באיכות טובה המכסים את כל ה- substantia nigra.

Introduction

נוירומלנין (באנגלית: Neuromelanin, בראשי תיבות: NM) הוא פיגמנט כהה המצוי בתאי עצב דופמינרגיים של תאי העצב הסובסטנטיה ניגרה (SN) והנוראדרנרגיים של הלוקוס קורולוס (LC)1,2. NM מסונתז על ידי חמצון תלוי ברזל של דופמין ציטוזולי ונוראפינפרין ומאוחסן בוואקולות אוטופגיות בסומה3. הוא מופיע לראשונה בבני אדם בסביבות גיל 2-3 שנים ומצטבר עם גיל 1,4,5.

בתוך vacuoles המכילים NM של נוירונים SN ו- LC, NM יוצר קומפלקסים עם ברזל. קומפלקסים אלה של ברזל NM הם פרמגנטיים, ומאפשרים הדמיה לא פולשנית של NM באמצעות הדמיית תהודה מגנטית (MRI)6,7. סריקות MRI שיכולות להמחיש NM ידועות בשם MRI רגיש ל-NM (NM-MRI) ומשתמשות באפקטים ישירים או עקיפים של העברת מגנטיזציה כדי לספק ניגודיות בין אזורים עם ריכוז NM גבוה (למשל, SN) לבין החומר הלבןשמסביב 8,9.

ניגודיות העברת מגנטיזציה היא תוצאה של האינטראקציה בין פרוטוני מים הקשורים למקרו-מולקולות (הרוויים על ידי פולסי העברת המגנטיזציה) לבין פרוטוני המים החופשיים הסובבים אותם. ב- NM-MRI, הוא האמין כי האופי הפרמגנטי של קומפלקסים NM-ברזל מקצר את T1 של פרוטונים מים חופשיים שמסביב, וכתוצאה מכך השפעות מגנטיזציה מופחתות כך אזורים עם ריכוז NM גבוה יותר מופיעים hyperintense על סריקות NM-MRI10. לעומת זאת, החומר הלבן המקיף את ה-SN הוא בעל תכולה מקרומולקולרית גבוהה, וכתוצאה מכך השפעות מגנטיזציה-העברה גדולות, כך שאזורים אלה נראים היפו-אינטנסיביים בסריקות NM-MRI, ובכך מספקים ניגודיות גבוהה בין ה-SN לבין החומר הלבן שמסביב.

ב-SN, NM-MRI יכול לספק סמן של אובדן תאים דופמינרגיים11 ותפקוד מערכת דופמין12. שני תהליכים אלה רלוונטיים למספר הפרעות נוירופסיכיאטריות ונתמכים על ידי גוף עצום של עבודה קלינית ופרה-קלינית. לדוגמה, חריגות בתפקוד הדופמין נצפו באופן נרחב בסכיזופרניה; מחקרי in vivo שהשתמשו בטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) הראו שחרור מוגבר של דופמין סטריאטלי 13,14,15,16 ויכולת סינתזת דופמין מוגברת 17,18,19,20,21,22 . יתר על כן, מחקרים שלאחר המוות הראו כי לחולים עם סכיזופרניה יש רמות גבוהות יותר של טירוזין הידרוקסילאז – האנזים המגביל את הקצב המעורב בסינתזת דופמין – בגרעיני הבסיס23 ו-SN24,25.

מספר מחקרים חקרו דפוסים של אובדן תאים דופמינרגיים, במיוחד במחלת פרקינסון. מחקרים שלאחר המוות גילו כי הנוירונים הדופמינרגיים הפיגמנטיים של ה- SN הם האתר העיקרי של ניוון עצבי במחלת פרקינסון 26,27, וכי בעוד אובדן תאי SN במחלת פרקינסון אינו מתואם עם אובדן תאים בהזדקנות רגילה28, הוא מתואם עם משך המחלה 29 . שלא כמו רוב השיטות לחקר המערכת הדופמינרגית, אי-הפולשנות, החסכוניות והיעדר הקרינה המייננת הופכים את NM-MRI לסמן ביולוגי רב-תכליתי30.

פרוטוקול NM-MRI המתואר במאמר זה פותח כדי להגדיל הן את יכולת השחזור של NM-MRI בתוך הנושא והן את יכולת השחזור הרוחבית של NM-MRI. פרוטוקול זה מבטיח כיסוי מלא של ה- SN למרות הכיסוי המוגבל של סריקות NM-MRI בכיוון נחות-מעולה. הפרוטוקול עושה שימוש בתמונות סגיטליות, קורונליות ותלת-ממדיות ציריות (3D) משוקללות T1 (T1w), ויש לבצע את השלבים כדי להשיג מיקום נכון של ערימת פרוסות. הפרוטוקול המתואר במאמר זה שימש במספר מחקרים31,32 ונבדק בהרחבה. Wengler et al. השלימו מחקר על המהימנות של פרוטוקול זה שבו תמונות NM-MRI נרכשו פעמיים בכל משתתף במשך מספר ימים32. מקדמי מתאם תוך-מעמדיים הדגימו אמינות מצוינת של בדיקה חוזרת של שיטה זו עבור ניתוחים מבוססי אזור עניין (ROI) ו-voxelwise, כמו גם ניגודיות גבוהה בתמונות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

הערה: המחקר שנערך לפיתוח פרוטוקול זה בוצע בהתאם להנחיות מועצת הביקורת המוסדית של המכון הפסיכיאטרי של מדינת ניו יורק (IRB #7655). נבדק אחד נסרק לצורך הקלטת סרטון הפרוטוקול, והתקבלה הסכמה מדעת בכתב. עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים על סורק ה-MRI המשמש בפרוטוקול זה.

1. פרמטרים לרכישת MRI

  1. התכונן לרכוש תמונות T1w ברזולוציה גבוהה באמצעות מגנטיזציה תלת-ממדית שהוכנה ברצף הד הדרגתי לרכישה מהירה (MPRAGE) עם הפרמטרים הבאים: רזולוציה מרחבית = 0.8 x 0.8 x 0.8 מ"מ3; שדה ראייה (FOV) = 176 x 240 x 240 מ"מ3; זמן הד (TE) = 3.43 אלפיות השנייה; זמן חזרה (TR) = 2462 אלפיות השנייה; זמן היפוך (TI) = 1060 אלפיות השנייה; זווית היפוך = 8°; גורם הדמיה מקבילי במישור (ARC) = 2; גורם הדמיה מקבילי במישור (ARC) = 233; רוחב פס = 208 הרץ / פיקסל; זמן רכישה כולל = 6 דקות 39 שניות.
  2. התכונן לרכוש תמונות NM-MRI באמצעות מעבר צבע דו-ממדי (2D) שנזכר ברצף הד עם ניגודיות העברת מגנטיזציה (2D GRE-MTC) עם הפרמטרים הבאים: רזולוציה = 0.43 x 0.43 מ"מ2; FOV = 220 x 220 מ"מ2; עובי פרוסה = 1.5 מ"מ; 20 פרוסות; פער פרוסה = 0 מ"מ; TE = 4.8 אלפיות השנייה; TR = 500 אלפיות השנייה; זווית היפוך = 40°; רוחב פס = 122 הרץ / פיקסל; היסט תדר MT = 1.2 קילוהרץ; משך דופק MT = 8 אלפיות השנייה; זווית היפוך MT = 670°; מספר ממוצעים = 5; זמן רכישה כולל = 10 דקות 4 שניות.
    הערה: למרות שהתוצאות המוצגות השתמשו בפרמטרים אלה של רכישת MRI, פרוטוקול זה תקף עבור פרוטוקולי הדמיה שונים של T1w ו- NM-MRI. פרוטוקול NM-MRI צריך לכסות ~ 25 מ"מ בכיוון נחות מעולה כדי להבטיח כיסוי מלא של SN.

2. מיקום נפח NM-MRI

  1. קבל תמונת T1w ברזולוציה גבוהה (גודל ווקסל איזוטרופי ≤1 מ"מ). השתמש באתחול מחדש מקוון מיד לאחר רכישת התמונה כדי ליצור תמונות T1w ברזולוציה גבוהה המיושרות לקו הקומיסורה הקדמית-אחורית (AC-PC) ולקו האמצע.
    1. בצע אתחול מחדש מקוון באמצעות התוכנה שסופקה על-ידי הספק (לדוגמה, אם אתה רוכש נתונים בסורק GE: שחזור רב-תכליתי (MPR) בתכנון; אם אתה רוכש נתונים בסורק של סימנס: MPR בכרטיס המשימה התלת-ממדי; אם אתה רוכש נתונים בסורק של פיליפס: MPR במצב רינדור של חבילת VolumeView).
      1. צור שחזורים רב-מישוריים של תמונת T1w תלת-ממדית במישור הצירי הניצב לקו AC-PC כדי לכסות את כל המוח במרווח פרוסות מינימלי.
      2. צור שחזורים רב-מישוריים של תמונת T1w התלת-ממדית במישור הכתר הניצב לקו AC-PC כדי לכסות את כל המוח עם מרווח פרוסה מינימלי.
      3. צור שחזורים רב-פלנריים של תמונת 3D T1w במישור הסגיטלי במקביל לקו AC-PC כדי לכסות את כל המוח עם מרווח פרוסות מינימלי.
  2. טען את התצוגה הסגיטלית, הכתרית והצירית של תמונת T1w ברזולוציה גבוהה שעוצבה מחדש וודא שקיימים קווי הפניה המתארים את המיקום של כל פרוסה מוצגת.
  3. זהה את התמונה הסגיטלית שמראה את ההפרדה הגדולה ביותר בין המוח האמצעי לתלמוס (איור 1A). לשם כך, בדוק באופן חזותי את פרוסות הסגיטל של תמונת T1w שעוצבה מחדש עד שתזוהה הפרוסה המציגה את ההפרדה הגדולה ביותר.
  4. באמצעות התמונה הסגיטלית מסוף שלב 2.3, זהה באופן חזותי את המישור הקורונלי התוחם את ההיבט הקדמי ביותר של המוח האמצעי (איור 1B).
  5. באמצעות התמונה הקורונלית מסוף שלב 2.4, זהה באופן חזותי את המישור הצירי התוחם את ההיבט התחתון של החדר השלישי (איור 1C).
  6. בתמונה הסגיטלית מסוף שלב 2.3, יישרו את הגבול העליון של נפח NM-MRI למישור הצירי שזוהה בשלב 2.5 (איור 1D).
  7. הזז את הגבול העליון של נפח NM-MRI 3 מ"מ בכיוון העליון (איור 1E).
  8. יישרו את עוצמת הקול NM-MRI לקו האמצע בתמונות הציריות והקורונליות (איור 1F).
  9. קבל את תמונות NM-MRI.

Figure 1
איור 1: תמונות המציגות את הליך מיקום אמצעי האחסון NM-MRI שלב אחר שלב. קווים צהובים מציינים את מיקום הפרוסות המשמשות למיקום אמצעי האחסון, כמתואר בפרוטוקול. (A) ראשית, מזוהה התמונה הסגיטלית עם ההפרדה הגדולה ביותר בין המוח האמצעי לתלמוס (שלב 2.3 של הפרוטוקול). (B) שנית, באמצעות התמונה מ-A, מזוהה המישור הקורונלי התוחם את ההיבט הקדמי ביותר של המוח האמצעי (שלב 2.4). (C) שלישית, בתמונה הקורונלית מהמישור המזוהה ב-B, מזוהה המישור הצירי התוחם את ההיבט הנחות של החדר השלישי (שלב 2.5). (D) רביעית, המישור הצירי המזוהה ב-C מוצג בתמונה הסגיטלית מ-A (שלב 2.6). (E) חמישית, המישור הצירי מ-D מוסט 3 מ"מ בכיוון העליון, ומישור זה מציין את הגבול העליון של נפח NM-MRI (שלב 2.7). (F) מיקום נפח NM-MRI הסופי שבו התמונה הקורונלית מתאימה ל- C, התמונה הסגיטלית מתאימה ל- A, והתמונה הצירית מתאימה למישור הצירי ב- E. נפח NM-MRI מיושר לקו האמצע של המוח בתמונות הכתר והצירי ולקו AC-PC בתמונה הסגיטלית (שלב 2.8). חלק מנתון זה הודפס מחדש באישורו של אלסבייר מ-30. קיצורים: NM-MRI = הדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין; AC-PC = קומיסור קדמי-אחורי. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

3. בדיקות בקרת איכות

  1. ודא שתמונות NM-MRI שנרכשו מכסות את כל ה-SN ושה-SN גלוי בתמונות המרכזיות, אך לא בתמונות העליונות או הנחותות ביותר של אמצעי האחסון NM-MRI. אחרת (איור 2), חזור על שלבים 2.3-2.9 כדי להבטיח מיקום נכון של נפח NM-MRI. אם המשתתף עבר באופן משמעותי מאז רכישת סריקת T1w ברזולוציה גבוהה, חזור על שלבים 2.1-2.9.

Figure 2
איור 2: דוגמה לרכישת NM-MRI שנכשלה בבדיקת בקרת האיכות הראשונה (שלב 3.1 של הפרוטוקול). כל אחת מ-20 פרוסות ה-NM-MRI המוצגות מהתמונה הנחותה ביותר (תמונה שמאלית עליונה) לטובה ביותר (תמונה מימין למטה); חלון / רמת התמונה הוגדרו כדי להגזים בניגודיות בין הסובסטנטיה ניגרה לבין קרוס סרברי. החיצים הכתומים בפרוסות 15-19 מראים את המיקום של הסובסטנטיה ניגרה בפרוסות אלה. החץ האדום בפרוסה המעולה ביותר (פרוסה 20) מראה כי הניגרה הסובסטנטית עדיין נראית בפרוסה זו, ולכן הרכישה נכשלת בבדיקת האיכות. קיצור: NM-MRI = הדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

  1. בדוק אם יש ממצאים, במיוחד כאלה שעוברים דרך ה-SN והחומר הלבן שמסביב, על ידי בדיקה חזותית של כל פרוסה של סריקת NM-MRI שנרכשה.
    1. חפש שינויים פתאומיים בעוצמת האות עם תבנית ליניארית שאינה מכבדת גבולות אנטומיים רגילים. לדוגמה, זה עשוי להופיע כאזור בעוצמה נמוכה שלצדו שני אזורים בעוצמה גבוהה.
    2. אם החפץ הוא תוצאה של כלי דם (איור 3A), שמרו על תמונות NM-MRI מכיוון שסביר להניח שהממצאים האלה תמיד יהיו נוכחים.
    3. אם הממצאים הם תוצאה של תנועת ראש המשתתף (איור 3B), הזכירו למשתתף להישאר דומם ככל האפשר ולקבל מחדש את תמונות ה-NM-MRI בהתאם לשלב 3.2.5.
    4. אם הממצאים מעורפלים (איור 3C), קבלו מחדש את תמונות ה-NM-MRI בהתאם לשלב 3.2.5. לאחר הרכישה מחדש, אם הממצאים נשארים נוכחים, המשך עם תמונות אלה מכיוון שהן ככל הנראה ביולוגיות ולא תוצאה של בעיות רכישה.
    5. אם תמונות NM-MRI עוברות את בדיקת בקרת האיכות בשלב 3.1, העתק את מיקום אמצעי האחסון הקודם של NM-MRI. אם תמונות NM-MRI נכשלות בבדיקת בקרת האיכות בשלב 3.1, חזור על שלבים 2.3-2.9 כדי להבטיח מיקום נכון של אמצעי האחסון NM-MRI (או שלבים 2.1-2.9 אם המשתתף זז באופן משמעותי).

Figure 3
איור 3: דוגמאות לרכישות NM-MRI שנכשלו בבדיקת בקרת האיכות השנייה (שלב 3.2 של הפרוטוקול). רק פרוסה מייצגת אחת מוצגת עבור כל מקרה. (A) רכישת NM-MRI שנכשלת בבדיקת בקרת האיכות עקב חפץ בכלי דם (חיצים אדומים) שהוא תוצאה של כלי הדם שזוהה על ידי החיצים הכחולים. (B) רכישת NM-MRI שנכשלת בבדיקת בקרת האיכות עקב ממצאי תנועה (חיצים אדומים). (C) רכישת NM-MRI שנכשלת בבדיקת בקרת האיכות עקב חפץ מעורפל (חיצים אדומים). קיצור: NM-MRI = הדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור 4 מציג את התוצאות המייצגות של משתתפת בת 28 ללא הפרעות פסיכיאטריות או נוירולוגיות. פרוטוקול NM-MRI מבטיח כיסוי מלא של ה-SN, שהושג על-ידי ביצוע שלב 2 של הפרוטוקול המתואר באיור 1, ותמונות NM-MRI משביעות רצון על-ידי ביצוע שלב 3 של הפרוטוקול. ניתן לראות ניגודיות מצוינת בין ה-SN לבין אזורי החומר הלבן השכנים עם ריכוז NM זניח (כלומר, crus cerebri). תמונות אלה נבדקו מיד לאחר הרכישה כדי להבטיח את הכיסוי הנכון של SN ולבדוק אם יש חפצים. מכיוון שכיסוי מלא של ה- SN הושג ללא כל ממצאים, הסריקה עברה את בדיקות האיכות ולא היה צורך לחזור עליה.

Figure 4
איור 4: דוגמה לרכישה מייצגת של NM-MRI. כל אחת מ-20 פרוסות ה-NM-MRI המוצגות מהתמונה הנחותה ביותר (תמונה שמאלית עליונה) לטובה ביותר (תמונה מימין למטה); חלון התמונה/הרמה הוגדר כדי להגזים את הניגוד בין ה-substantia nigra ל-crus cerebri של משתתפת בת 28 ללא הפרעות פסיכיאטריות או נוירולוגיות. פרוטוקול NM-MRI מבטיח כיסוי מלא של הסובסטנטיה ניגרה, כיסוי חלקי של לוקוס קורולוס, ותמונות NM-MRI משביעות רצון. ניגוד מצוין בין הסובסטנטיה ניגרה לבין אזורי החומר הלבן השכנים ללא ריכוז נוירומלנין (כלומר, קרום מוחי) ניתן לראות על פרוסות 9-16. התמונה בתחתית מציגה תצוגה מוגדלת של המוח האמצעי מפרוסה 13. קיצור: NM-MRI = הדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 2 מציג את התוצאות המייצגות של משתתפת בת 28 ללא הפרעות פסיכיאטריות או נוירולוגיות שתמונותיה נכשלו בבדיקת בקרת האיכות הראשונה (שלב 3.1). ה-SN נראה בפרוסה המעולה ביותר (פרוסה 20), מה שמעיד על כך שלא הושג כיסוי מלא של ה-SN. במקרה זה, יש לקבל מחדש את הנתונים על-ידי חזרה על שלבים 2.3-2.9 של הפרוטוקול, כפי שמוצג באיור 1. אם המשתתף עבר באופן משמעותי מאז רכישת התמונה הראשונית T1w, אז החוקר צריך לחזור לשלב 2.1 כדי לקבל מחדש את התמונה T1w.

איור 3 מציג תמונות לדוגמה שנכשלו בבדיקת בקרת האיכות השנייה (שלב 3.2). כפי שמתואר בשלב 3.2, סריקות המכילות ממצאים הנובעים מכלי דם (איור 3A) אינן צריכות לחזור על עצמן, מכיוון שסביר להניח שממצאים אלה יהיו נוכחים בכל רכישה. יש לחזור על סריקות המכילות ממצאים הנובעים מתנועה (איור 3B) או ממצאים מעורפלים (איור 3C). במקרה של ממצאים מעורפלים, אם הממצאים נשארים נוכחים לאחר רכישה חוזרת, אזי אין צורך לבצע את הסריקה מחדש עוד יותר מכיוון שהממצאים הם ככל הנראה ביולוגיים ולכן, יהיו נוכחים בכל רכישה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המערכת הדופמינרגית ממלאת תפקיד מכריע בקוגניציה בריאה ובהפרעות נוירופסיכיאטריות. פיתוח שיטות לא פולשניות שניתן להשתמש בהן כדי לחקור שוב ושוב את המערכת הדופמינרגית in vivo הוא קריטי לפיתוח סמנים ביולוגיים בעלי משמעות קלינית. הפרוטוקול המתואר כאן מספק הוראות שלב אחר שלב לרכישת תמונות NM-MRI באיכות טובה של ה- SN, כולל מיקום עוצמת הקול של NM-MRI ובדיקות בקרת איכות כדי להבטיח נתונים שמישים.

למרות שפרוטוקולים מפורטים לניתוח נתוני NM-MRI נדונו במקומות אחרים, למען השלמות, אנו מספקים סיכום קצר של עבודתנו הקודמת והמלצות לעיבוד מקדים של תמונות NM-MRI וניתוחי voxelwise. גישה זו אומתה בעבר בשילוב עם פרוטוקול הרכישה המתואר במאמר זה. מחקרים קודמים דנים ביתרונות השיטה ביתר פירוט ומספקים נתונים התומכים בשכפול שלה 6,12,32. עם זאת, שים לב שפרוטוקול הרכישה הסטנדרטי המתואר כאן חל על כל אסטרטגיית עיבוד וניתוח (כולל ניתוח מבוסס ROI במרחבמקורי או MNI 8,32) ולא רק על זה המתואר כאן.

לניתוח תמונות NM-MRI, ניתן לבצע עיבוד מקדים כדי לתקן תנועה ולנרמל מרחבית נתוני נושא בודדים לתבנית אנטומית סטנדרטית. אנו ממליצים על הצינור הבא המשלב מיפוי פרמטרי סטטיסטי (SPM) וכלי נורמליזציה מתקדמים (ANTs) כדי להשתמש בכלים הבאים בשלבים הבאים: (1) SPM-Realign כדי ליישר מחדש ולתקן ממוצעים שנרכשו בנפרד עבור תנועה, ו- SPM-ImCalc כדי לממוצע את התמונות המיושרות מחדש; (2) antsBrainExtraction.sh למיצוי מוחי של תמונת T1w; (3) antsRegistrationSyN.sh (נוקשה + אפין + syn מעוות) לנורמליזציה מרחבית של תמונת T1w שחולצה במוח למרחב התבנית MNI152NLin2009cAsym; (4) antsRegistrationSyN.sh (נוקשה) כדי לרשום את תמונת NM-MRI לתמונת T1w (במרחב המקורי); (5) antsApplyTransforms כדי לשלב את הטרנספורמציות המוערכות בשלבים 3 ו-4 לטרנספורמציה חד-שלבית לנורמליזציה מרחבית של תמונות NM-MRI למרחב MNI; ו-(6) SPM-Smooth עם גרעין גאוס ברוחב מלא של 1 מ"מ בחצי לכל היותר להחלקה מרחבית של תמונת NM-MRI המנורמלת מרחבית. צינור עיבוד זה הוכח בעבר כמשיג את האמינות הגבוהה ביותר של בדיקה חוזרת בספרות, עם מקדם מתאם תוך-מחלקה ממוצע (ICC) בתוך SN של ~0.9032. יתר על כן, מספר מחקרים קודמים השתמשו בצינורות עיבוד מקדים דומים 12,31,34,35,36,37.

לאחר נורמליזציה מרחבית, יש לנתח את תמונות ה- NM-MRI על ידי חישוב יחס הניגודיות לרעש בכל ווקסל (CNR V). ה-CNR מודד את הפרש האות באחוזים בין כל ווקסל (I V) לבין אזור חומר לבן ייחוס הידוע כבעל תוכן NMקטן 12 (crus cerebri, I CC), הנתון על ידי הנוסחה הבאה: CNR V = {[IV- mode(I CC)] / mode(I CC)}*100. ערכי CNR V ניתנים לממוצע עבור כל משתתף כדי לקבוע את ה-CNR של ה- SN כולו או שניתן לנתח אותם ברמת voxelwise בתוך ה- SN. ערכי CNR גבוהים יותר משקפים תוכן NM מוגבר באותו voxel או ROI. בניגוד לשיטות ניתוח אחרות המגדירות את ה-SN ROI כאזור ההיפר-אינטנסיבי בתמונת NM-MRI, שיטה מומלצת זו משתמשת ב-ROIs מוגדרים מראש של תבניות שניתן לקבל מהספרות12 או לצייר בממוצע של תמונות NM-MRI במרחב MNI בכל הנבדקים במחקר (באמצעות תבנית ספציפית למחקר). לא רק ששיטה זו אוטומטית לחלוטין, היא גם מסירה מעגליות בניתוח, מסבירה את ההטרוגניות בתוך קומפלקס SN-VTA, ואינה מגבילה את הניתוח לרמת החזר ההשקעה השלם. 

בעת רכישת תמונות NM-MRI, חיוני שתמונות T1w המשמשות למיקום אמצעי האחסון NM-MRI מיושרות לאורך קו AC-PC. פעולה זו תשפר את יכולת השחזור של הסריקות. חשוב גם לרכוש את תמונות T1w קרוב ככל האפשר בזמן לפני רכישת תמונות NM-MRI ככל האפשר. מכיוון שתמונת T1w משמשת למיקום אמצעי אחסון NM-MRI, חשוב שהיא תייצג במדויק את מיקום ראש המשתתף בסורק. אם המשתתף עבר בין סריקת T1w לסריקת NM-MRI, אמצעי האחסון NM-MRI לא ימוקם כראוי. מזעור משך הזמן בין רכישת תמונות T1w לבין תמונות NM-MRI יקטין את הסבירות שהמשתתף עבר בין סריקות ולכן יקטין את הסבירות שחלק מה-SN אינו נכלל בנפח NM-MRI.

ייתכן שיידרשו שינויים מסוימים בפרוטוקול אם יתעוררו בעיות ברכישת NM-MRI. אם ה- SN כולו אינו מכוסה באופן עקבי, גם לאחר תיקון מיקום עוצמת הקול, ייתכן שיהיה צורך להגדיל את מספר הפרוסות בפרוטוקול NM-MRI כדי ללכוד את ה- SN כולו. בנוסף, אם המשתתף מתקשה להישאר ללא תזוזה במשך כל סריקת NM-MRI, וכתוצאה מכך תוצרי תנועה עקביים, ניתן לרכוש חזרות בודדות ולממוצע אותן במצב לא מקוון. לדוגמה, במקום להשלים סריקה אחת בת 10 דקות שכוללת חמש חזרות בממוצע מקוון, ניתן לרכוש חמש סריקות של 2 דקות וממוצע במצב לא מקוון. זה ייתן למשתתפים הזדמנויות להפסקות בין החזרות ועשוי לעזור להם להישאר דוממים למשך הסריקות הבודדות.

מגבלה אחת של פרוטוקול זה היא שהוא אינו מספק כיסוי מלא של ה- LC עם פרוטוקולי רכישה סטנדרטיים של NM-MRI, מה שמונע מהמערכת הנורדרנרגית להיחקר ביסודיות בשיטה זו. בעוד שה-LC הוא מבנה שניתן לדמות באמצעות NM-MRI, הכללת ה-LC בפרוטוקול זה תגדיל את מספר הפרוסות הדרושות כדי ללכוד באופן אמין הן את ה-SN והן את ה-LC בשלמותם. הגדלת מספר הפרוסות תגדיל, בתורו, את זמן הסריקה של פרוטוקול זה. מכיוון שסריקות אלה רגישות לתנועה, עלייה בזמן הסריקה עלולה לייצר תמונות באיכות נמוכה יותר מכיוון שהמשתתפים עשויים להתקשות יותר להישאר ללא תזוזה לפרקי זמן ארוכים יותר – בעייתיים במיוחד באוכלוסיות קליניות. לפיכך, בחרנו שלא לכלול את ה- LC בפרוטוקול זה כדי למזער את הפוטנציאל לתוצרי תנועה בנתונים. מחקרים עתידיים צריכים לחקור את האמינות של פרוטוקולי NM-MRI עם מספר גדול יותר של פרוסות כדי לדמות בו זמנית את SN ו- LC.

מגבלה שנייה של פרוטוקול זה היא שיישור AC-PC של אמצעי האחסון NM-MRI עשוי שלא לספק את הכיוון האופטימלי להדמיית ה- SN. בעוד שקו AC-PC קל לזיהוי, כיוון זה אינו ממזער באופן מלא את השפעות עוצמת הקול החלקיות מכיוון שהוא אינו ניצב לחלוטין ל- SN. עבודות קודמות השתמשו בקטע צירי אלכסוני בניצב לרצפת החדר הרביעי כדי לדמות את SN38,39,40. בעוד שמיקום נפח זה, או כזה הניצב לאמת המים המוחית, עשוי לספק פחות השפעות נפח חלקיות מאשר יישור AC-PC, בחרנו להשתמש בקו AC-PC בהתחשב בציוני הדרך המוגדרים בבירור שלו. תוקפו של יישור זה הוכח בעבודה קודמת תוך שימוש בפרוטוקול שתואר לעיל, שבו הושגה אמינות מצוינת של בדיקה חוזרת32. יישור AC-PC שימש גם במספר מחקרים אחרים. Cassidy et al. מצאו כי לחולים עם התמכרות לקוקאין היו ערכי SN CNR גבוהים יותר מאשר לבקרות35. במחקר שנערך בקרב מטופלים עם דיכאון בסוף החיים, Wengler et al. מצאו כי תפקוד פסיכו-מוטורי נמצא בקורלציה עם ערכי SN CNR36. מאמר שלישי מצא גם כי חולי פרקינסון הפחיתו את ה-CNR ב-SN בעוד שחולים עם פסיכוזה הגדילו את ה-CNR ב-SN12.

עם זאת, אף מחקר לא השווה באופן ישיר בין שיטות מיקום שונות של נפחים, וזהו תחום שמחקר עתידי צריך לחקור כדי לקבוע איזו שיטה מספקת את האמינות הטובה ביותר של בדיקה חוזרת ברכישות מרובות. רצפי NM-MRI תלת-ממדיים יכולים לספק פתרון חלופי מכיוון שהם מספקים גמישות רבה יותר באתחול מחדש לאחר הרכישה. יתר על כן, רצפים תלת-ממדיים משיגים יחס אות לרעש גבוה יותר מאשר רצפים דו-ממדיים, מה שעשוי לאפשר רזולוציה מרחבית גבוהה יותר אך לבוא במחיר של רגישות מוגברת לתנועה. נכון לעכשיו, 2D-GRE MT הוא רצף ה-NM-MRI היחיד המאומת באופן נרחב - הגורם המניע לשימוש בו עבור פרוטוקול זה. מחקרים עתידיים צריכים להשוות אות NM-MRI מרצפים תלת-ממדיים לריכוז NM ולתפקוד דופמין סטריאלי, ולשחזר בהשוואה ל-2D-GRE MT לפני אימוץ נרחב.

לפרוטוקול זה יש יתרונות על פני פרוטוקולי NM-MRI אחרים מכיוון שהוא מספק ציוני דרך הניתנים לזיהוי בקלות עבור מיקום אמצעי אחסון NM-MRI, מה שהופך אותו לניתן לשחזור רב. הוא גם מספק בדיקות איכות מקוונות, שאף פרוטוקול NM-MRI אחר לא כלל. בדיקות איכות אלה מאפשרות לנסיינית לקבל מחדש תמונות אם הן באיכות ירודה, במקום פשוט להוציא את הנושא מהניתוח.

NM-MRI הוא כלי רב ערך ששימש לחקר מספר הפרעות נוירופסיכיאטריות. NM-MRI הוא מדד פרוקסי של תפקוד הדופמין במסלול הניגרוסטריאטלי12, ובכך מציע שיטה לבחינת המערכת הדופמינרגית in vivo שאינה דורשת הליכים פולשניים כגון PET. לחולים עם סכיזופרניה יש אות NM מוגבר ב- SN38,41, מה שתומך במחקרים קודמים שחשפו תפקוד דופמינרגי מוגבר בסכיזופרניה. אות NM-MRI ב- SN מתאם גם עם חומרת פסיכוזה בחולים עם סכיזופרניה ואלה בסיכון גבוה לסכיזופרניה12. מחקרים הראו גם כי לאנשים עם הפרעת שימוש בקוקאין יש אות NM-MRI מוגבר באזורים הגחוניים של SN35, וכי בחולים עם דיכאון בסוף החיים, אות NM-MRI נמוך יותר ב- SN נמצא בקורלציה עם האטה מוטורית36. בנוסף, NM-MRI שימש לחקר אובדן תאים דופמינרגיים במצבים כמו מחלת פרקינסון.

קיטאו ועמיתיו קבעו כי אות NM-MRI ב- SN נמצא בקורלציה עם מספר הנוירונים הדופמינרגיים הפיגמנטיים ב- SN11, ואחרים הראו כי אות NM-MRI בנוירונים דופמינרגיים SN יורד במחלת פרקינסון 6,9,39,40. מחקר נוסף בחולי פרקינסון השתמש ב-NM-MRI כדי למפות את התבנית הטופוגרפית של אובדן תאי SN12 ואת ההתקדמות של אובדן תאי SN במהלך המחלה37. בסך הכל, זה מצביע על כך שלא רק ש-NM-MRI מספק תובנה לגבי המרכיבים הכימיים הבסיסיים של הפרעות נוירופסיכיאטריות, אלא שהוא גם עשוי להיות שימושי כסמן ביולוגי בניבוי התפרצות וחומרת המחלה. אנו מקווים שהפרוטוקול הסטנדרטי המוצג כאן יקל על עבודה עתידית לפיתוח סמנים ביולוגיים שימושיים מבחינה קלינית המבוססים על NM-MRI30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ד"ר הורגה ונגלר דיווחו כל אחד על פטנטים לניתוח ושימוש בהדמיית נוירומלנין בהפרעות במערכת העצבים המרכזית (WO2021034770A1, WO2020077098A1), ברישיון Terran Biosciences, אך לא קיבלו תמלוגים.

Acknowledgments

ד"ר הורגה קיבל תמיכה מה- NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). ד"ר ונגלר קיבל תמיכה מ- NIMH (F32-MH125540).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

מדעי המוח גיליון 175
רכישת נתונים מתוקננת להדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין של Substantia Nigra
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Salzman, G., Kim, J., Horga, G.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter