Waiting
Processando Login

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

Neuroscience

Standardisert datainnsamling for nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning av 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

Denne protokollen viser hvordan man skaffer nevromelaninfølsomme magnetiske resonansavbildningsdata av substantia nigra.

Abstract

Det dopaminerge systemet spiller en avgjørende rolle i sunn kognisjon (f.eks. Belønningslæring og usikkerhet) og nevropsykiatriske lidelser (f.eks. Parkinsons sykdom og schizofreni). Neuromelanin er et biprodukt av dopaminsyntese som akkumuleres i dopaminerge nevroner av substantia nigra. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging (NM-MRI) er en ikke-invasiv metode for måling av neuromelanin i de dopaminerge nevronene, og gir et direkte mål på dopaminerg celletap i substantia nigra og et proxy-mål for dopaminfunksjon. Selv om NM-MR har vist seg å være nyttig for å studere ulike nevropsykiatriske lidelser, utfordres det av et begrenset synsfelt i dårligere-overlegen retning, noe som resulterer i potensielt tap av data fra utilsiktet eksklusjon av en del av substantia nigra. I tillegg mangler feltet en standardisert protokoll for innsamling av NM-MR-data, et kritisk skritt for å legge til rette for storskala multisitestudier og oversettelse til klinikken. Denne protokollen beskriver en trinnvis NM-MR volumplasseringsprosedyre og online kvalitetskontroll kontroller for å sikre innsamling av data av god kvalitet som dekker hele substantia nigra.

Introduction

Neuromelanin (NM) er et mørkt pigment som finnes i dopaminerge nevroner av substantia nigra (SN) og noradrenerge nevroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseres ved jernavhengig oksidasjon av cytosolisk dopamin og noradrenalin og lagres i autofagiske vakuoler i soma3. Det vises først hos mennesker rundt 2-3 år og akkumuleres med alderen 1,4,5.

Innenfor NM-holdige vakuoler av SN- og LC-nevroner danner NM komplekser med jern. Disse NM-jernkompleksene er paramagnetiske, noe som muliggjør ikke-invasiv visualisering av NM ved hjelp av magnetisk resonansavbildning (MR) 6,7. MR-skanninger som kan visualisere NM er kjent som NM-sensitive MR (NM-MR) og bruker enten direkte eller indirekte magnetiseringsoverføringseffekter for å gi kontrast mellom regioner med høy NM-konsentrasjon (f.eks. SN) og den omkringliggende hvite substansen 8,9.

Magnetiseringsoverføringskontrast er resultatet av samspillet mellom makromolekylære bundne vannprotoner (som er mettet av magnetiseringsoverføringspulser) og de omkringliggende frivannsprotonene. I NM-MR antas det at den paramagnetiske naturen til NM-jernkomplekser forkorterT1 av de omkringliggende frittvannsprotonene, noe som resulterer i reduserte magnetiseringsoverføringseffekter slik at regioner med høyere NM-konsentrasjon vises hyperintens på NM-MR-skanninger10. Omvendt har den hvite substansen som omgir SN et høyt makromolekylært innhold, noe som resulterer i store magnetiseringsoverføringseffekter slik at disse regionene virker hypointense på NM-MR-skanninger, og gir dermed høy kontrast mellom SN og omkringliggende hvit substans.

I SN kan NM-MR gi en markør for dopaminerg celletap11 og dopaminsystemfunksjon12. Disse to prosessene er relevante for flere nevropsykiatriske lidelser og støttes av en stor mengde klinisk og preklinisk arbeid. For eksempel har abnormiteter i dopaminfunksjon blitt mye observert i schizofreni; in vivo-studier ved bruk av positronemisjonstomografi (PET) har vist økt striatal dopaminfrigivelse 13,14,15,16 og økt dopaminsyntesekapasitet 17,18,19,20,21,22 . Videre har post mortem-studier vist at pasienter med schizofreni har økte nivåer av tyrosinhydroksylase - det hastighetsbegrensende enzymet involvert i dopaminsyntese - i basalganglia23 og SN24,25.

Flere studier har undersøkt mønstre av dopaminerg celletap, spesielt ved Parkinsons sykdom. Post mortem-studier har vist at de pigmenterte dopaminerge nevronene i SN er det primære stedet for nevrodegenerasjon ved Parkinsons sykdom 26,27, og at mens SN-celletap i Parkinsons sykdom ikke er korrelert med celletap ved normal aldring28, er det korrelert med sykdommens varighet 29 . I motsetning til de fleste metoder for å undersøke det dopaminerge systemet, gjør ikke-invasivitet, kostnadseffektivitet og mangel på ioniserende stråling NM-MR til en allsidig biomarkør30.

NM-MR-protokollen beskrevet i denne artikkelen ble utviklet for å øke både in-subject og cross-subject reproduserbarhet av NM-MRI. Denne protokollen sikrer full dekning av SN til tross for begrenset dekning av NM-MR-skanninger i dårligere retning. Protokollen benytter seg av sagittale, koronale og aksiale tredimensjonale (3D) T1-vektede (T1w) bilder, og trinnene bør følges for å oppnå riktig plassering av skivestakken. Protokollen som er skissert i dette papiret har blitt brukt i flere studier31,32 og ble grundig testet. Wengler og medarbeidere fullførte en studie av påliteligheten til denne protokollen der NM-MR-bilder ble tatt to ganger hos hver deltaker over flere dager32. Korrelasjonskoeffisienter i klassen viste utmerket test-retest-reliabilitet av denne metoden for ROI-baserte og voxelvise analyser, samt høy kontrast i bildene.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

MERK: Forskningen som ble utført for å utvikle denne protokollen ble utført i samsvar med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board retningslinjer (IRB # 7655). Den ene personen ble skannet for opptak av protokollvideoen, og skriftlig informert samtykke ble innhentet. Se materialfortegnelsen for detaljer om MR-skanneren som brukes i denne protokollen.

1. MR-anskaffelsesparametere

  1. Forbered deg på å skaffe høyoppløselige T1w-bilder ved hjelp av en 3D-magnetisering forberedt MPRAGE-sekvens (rapid acquisition gradient echo) med følgende parametere: romlig oppløsning = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; synsfelt (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; ekko tid (TE) = 3,43 ms; repetisjonstid (TR) = 2462 ms; inversjonstid (TI) = 1060 ms; flip vinkel = 8 °; in-plane parallell avbildningsfaktor (ARC) = 2; gjennomgående plan parallell avbildningsfaktor (ARC) = 233; båndbredde = 208 Hz / piksel; total anskaffelsestid = 6 min 39 s.
  2. Forbered deg på å skaffe NM-MR-bilder ved hjelp av en todimensjonal (2D) gradient tilbakekalt ekkosekvens med magnetiseringsoverføringskontrast (2D GRE-MTC) med følgende parametere: oppløsning = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; skivetykkelse = 1,5 mm; 20 skiver; skivegap = 0 mm; TE = 4, 8 ms; TR = 500 ms; flip vinkel = 40 °; båndbredde = 122 Hz / piksel; MT-frekvensforskyvning = 1, 2 kHz; MT puls varighet = 8 ms; MT flip vinkel = 670 °; antall gjennomsnitt = 5; total anskaffelsestid = 10 min 4 s.
    MERK: Selv om de viste resultatene brukte disse MR-innsamlingsparametrene, er denne protokollen gyldig for forskjellige T1w- og NM-MR-bildeprotokoller. NM-MR-protokollen skal dekke ~25 mm i underordnet retning for å garantere fullstendig dekning av SN.

2. Plassering av NM-MR-volum

  1. Få et høyoppløselig T1w-bilde (≤1 mm isotropisk voxelstørrelse). Bruk elektronisk omformatering direkte etter bildeinnhenting for å lage høyoppløselige T1w-bilder justert til den fremre commissure-posterior commissure (AC-PC) linjen og midtlinjen.
    1. Utfør elektronisk omformatering ved hjelp av programvaren fra leverandøren (f.eks. hvis du anskaffer data på en GE-skanner: MultiPlanar Reconstruction (MPR) under planlegging, hvis du anskaffer data på en Siemens-skanner: MPR i 3D-oppgavekortet, hvis du henter data på en Philips-skanner: MPR i gjengivelsesmodus for VolumeView-pakken).
      1. Lag multiplanare rekonstruksjoner av 3D T1w-bildet i det aksiale planet vinkelrett på AC-PC-linjen for å dekke hele hjernen med minimal skivegap.
      2. Lag multiplanare rekonstruksjoner av 3D T1w-bildet i koronalplanet vinkelrett på AC-PC-linjen for å dekke hele hjernen med minimal skivegap.
      3. Lag multiplanare rekonstruksjoner av 3D T1w-bildet i sagittalplanet parallelt med AC-PC-linjen for å dekke hele hjernen med minimal skivegap.
  2. Last inn sagittal-, koronal- og aksialvisningene av det omformaterte T1w-bildet med høy oppløsning, og kontroller at referanselinjer som viser plasseringen av hvert vist stykke, finnes.
  3. Identifiser sagittalbildet som viser det største skillet mellom midthjernen og thalamus (figur 1A). For å gjøre dette, inspiser visuelt sagittale skiver av det omformaterte T1w-bildet til stykket som viser denne største separasjonen er identifisert.
  4. Ved hjelp av sagittalbildet fra slutten av trinn 2.3 identifiserer du visuelt koronaplanet som avgrenser det mest fremre aspektet av midthjernen (figur 1B).
  5. Bruk koronalbildet fra slutten av trinn 2.4, identifiser visuelt det aksiale planet som avgrenser det nedre aspektet av den tredje ventrikkelen (figur 1C).
  6. På sagittalbildet fra slutten av trinn 2.3 justerer du den øvre grensen for NM-MR-volumet til det aksiale planet identifisert i trinn 2.5 (figur 1D).
  7. Flytt den øvre grensen til NM-MR-volumet 3 mm i overlegen retning (figur 1E).
  8. Juster NM-MR-volumet til midtlinjen i aksiale og koronale bilder (figur 1F).
  9. Skaff NM-MR-bildene.

Figure 1
Figur 1: Bilder som viser trinnvis NM-MR-volumplasseringsprosedyre. Gule linjer angir plasseringen av skivene som brukes til volumplassering som beskrevet i protokollen. (A) Først identifiseres sagittalbildet med størst skille mellom midthjernen og thalamus (trinn 2.3 i protokollen). (B) For det andre, ved hjelp av bildet fra A, identifiseres koronaplanet som avgrenser det mest fremre aspektet av midthjernen (trinn 2.4). (C) For det tredje, på koronalbildet fra planet identifisert i B, identifiseres det aksiale planet som avgrenser det nedre aspektet av den tredje ventrikkelen (trinn 2.5). (D) For det fjerde vises det aksiale planet identifisert i C på sagittalbildet fra A (trinn 2.6). (E) For det femte forskyves det aksiale planet fra D 3 mm i overordnet retning, og dette planet indikerer den øvre grensen for NM-MR-volumet (trinn 2.7). (F) Den endelige NM-MR-volumplasseringen der koronalbildet tilsvarer C, sagittalbildet tilsvarer A, og det aksiale bildet tilsvarer det aksiale planet i E. NM-MR-volumet er justert til hjernens midtlinje i koronale og aksiale bilder og AC-PC-linjen i sagittalbildet (trinn 2.8). En del av dette tallet er gjengitt med tillatelse fra Elsevier fra 30. Forkortelser: NM-MR = neuromelanin-sensitiv magnetisk resonansavbildning; AC-PC = fremre kommissær-posterior commissure. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. Kvalitetskontroll kontroller

  1. Forsikre deg om at de innhentede NM-MR-bildene dekker hele SN og at SN er synlig i de sentrale bildene, men ikke i de mest overlegne eller dårligste bildene av NM-MR-volumet. Ellers (figur 2), gjenta trinn 2.3-2.9 for å sikre riktig NM-MR volumplassering. Hvis deltakeren har beveget seg betydelig siden anskaffelsen av T1w-skanningen med høy oppløsning, gjentar du trinn 2.1-2.9.

Figure 2
Figur 2: Eksempel på NM-MR-anskaffelse som ikke besto den første kvalitetskontrollen (trinn 3.1 i protokollen). Hver av de 20 NM-MR-skivene vises fra det mest underordnede (bildet øverst til venstre) til det mest overlegne (bildet nederst til høyre); Bildevinduet/nivået ble satt til å overdrive kontrasten mellom substantia nigra og crus cerebri. De oransje pilene i skivene 15-19 viser plasseringen av substantia nigra i disse skivene. Den røde pilen i det mest overlegne stykket (skive 20) viser at substantia nigra fortsatt er synlig i dette stykket, og dermed svikter anskaffelsen kvalitetskontrollen. Forkortelse: NM-MR = nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Se etter artefakter, spesielt de som går gjennom SN og den omkringliggende hvite substansen, ved å visuelt inspisere hvert stykke av den oppkjøpte NM-MR-skanningen.
    1. Se etter brå endringer i signalintensitet med et lineært mønster som ikke respekterer normale anatomiske grenser. Dette kan for eksempel vises som et område med lav intensitet som er flankert av to områder med høy intensitet.
    2. Hvis artefakten er et resultat av blodkar (figur 3A), behold NM-MR-bildene fordi disse artefaktene mest sannsynlig alltid vil være til stede.
    3. Hvis artefaktene er et resultat av deltakerens hodebevegelse (figur 3B), må du minne deltakeren om å holde seg så stille som mulig og ta NM-MR-bildene på nytt i henhold til trinn 3.2.5.
    4. Hvis artefaktene er tvetydige (figur 3C), må du ta NM-MR-bildene på nytt i henhold til trinn 3.2.5. Ved reacquisition, hvis gjenstandene forblir til stede, fortsett med disse bildene, da de sannsynligvis er biologiske snarere enn et resultat av oppkjøpsproblemer.
    5. Hvis NM-MR-bildene består kvalitetskontrollen i trinn 3.1, kopierer du den forrige NM-MR-volumplasseringen. Hvis NM-MR-bildene ikke består kvalitetskontrollen i trinn 3.1, gjentar du trinn 2.3–2.9 for å sikre riktig NM-MR-volumplassering (eller trinn 2.1–2.9 hvis deltakeren beveget seg betydelig).

Figure 3
Figur 3: Eksempler på NM-MR-anskaffelser som ikke besto den andre kvalitetskontrollen (trinn 3.2 i protokollen). Det vises bare ett representativt stykke for hvert tilfelle. (A) Et NM-MR-oppkjøp som ikke består kvalitetskontrollen på grunn av en blodkarartefakt (røde piler) som er resultatet av blodkaret identifisert av de blå pilene. (B) En NM-MR-anskaffelse som ikke består kvalitetskontrollen på grunn av bevegelsesartefakter (røde piler). (C) En NM-MR-anskaffelse som ikke består kvalitetskontrollen på grunn av en tvetydig artefakt (røde piler). Forkortelse: NM-MR = nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 viser de representative resultatene fra en 28 år gammel kvinnelig deltaker uten psykiatriske eller nevrologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fullstendig dekning av SN, oppnådd ved å følge trinn 2 i protokollen skissert i figur 1, og tilfredsstillende NM-MR-bilder ved å følge trinn 3 i protokollen. Utmerket kontrast mellom SN og nærliggende hvite materieregioner med ubetydelig NM-konsentrasjon (dvs. crus cerebri) kan sees. Disse bildene ble sjekket umiddelbart etter oppkjøpet for å sikre riktig dekning av SN og for å se etter gjenstander. Fordi full dekning av SN ble oppnådd uten gjenstander, besto skanningen kvalitetskontrollene og trengte ikke å gjentas.

Figure 4
Figur 4: Eksempel på representativ NM-MR-anskaffelse. Hver av de 20 NM-MR-skivene vises fra det mest underordnede (bildet øverst til venstre) til det mest overlegne (bildet nederst til høyre); Bildevinduet/nivået ble satt til å overdrive kontrasten mellom substantia nigra og crus cerebri fra en 28 år gammel kvinnelig deltaker uten psykiatriske eller nevrologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer full dekning av substantia nigra, delvis dekning av locus coeruleus og tilfredsstillende NM-MR-bilder. Utmerket kontrast mellom substantia nigra og nærliggende hvite materieregioner uten nevromelaninkonsentrasjon (dvs. crus cerebrus) kan ses på skiver 9-16. Bildet nederst viser en zoomet inn visning av midthjernen fra skive 13. Forkortelse: NM-MR = nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2 viser de representative resultatene fra en 28 år gammel kvinnelig deltaker uten psykiatriske eller nevrologiske lidelser der bildene ikke besto den første kvalitetskontrollen (trinn 3.1). SN er synlig i den mest overlegne skiven (skive 20), noe som indikerer at full dekning av SN ikke ble oppnådd. I dette tilfellet må dataene hentes inn på nytt ved å gjenta trinn 2.3-2.9 i protokollen, som vist i figur 1. Hvis deltakeren har beveget seg betydelig siden oppkjøpet av det første T1w-bildet, bør forskeren gå tilbake til trinn 2.1 for å gjenerobre T1w-bildet.

Figur 3 viser eksempler på bilder som ikke besto den andre kvalitetskontrollen (trinn 3.2). Som beskrevet i trinn 3.2, trenger ikke skanninger som inneholder artefakter på grunn av blodkar (figur 3A) å gjentas, da disse gjenstandene sannsynligvis vil være til stede i hvert oppkjøp. Skanninger som inneholder artefakter som følge av bevegelse (figur 3B) eller tvetydige artefakter (figur 3C), bør gjentas. Når det gjelder tvetydige artefakter, hvis gjenstandene forblir tilstede etter reacquisition, trenger ikke skanningen å bli gjenerobret ytterligere, da gjenstandene sannsynligvis er biologiske og derfor vil være til stede i hvert oppkjøp.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Det dopaminerge systemet spiller en avgjørende rolle i sunn kognisjon og nevropsykiatriske lidelser. Utviklingen av ikke-invasive metoder som kan brukes til å gjentatte ganger undersøke det dopaminerge systemet in vivo er avgjørende for utviklingen av klinisk meningsfulle biomarkører. Protokollen som er beskrevet her, gir trinnvise instruksjoner for innhenting av NM-MR-bilder av SN av god kvalitet, inkludert plassering av NM-MR-volumet og kvalitetskontrollkontroller for å sikre brukbare data.

Selv om detaljerte protokoller for analyse av NM-MR-data har vært diskutert andre steder, gir vi for fullstendighet en kort oppsummering av vårt tidligere arbeid og anbefalinger for forbehandling av NM-MR-bilder og voxelwise-analyser. Denne tilnærmingen er tidligere validert i forbindelse med anskaffelsesprotokollen beskrevet i denne artikkelen. Tidligere studier diskuterer fordelene med denne metoden mer detaljert og gir data som støtter reproduserbarheten 6,12,32. Vær imidlertid oppmerksom på at den standardiserte anskaffelsesprotokollen som er beskrevet her, gjelder for enhver behandlings- og analysestrategi (inkludert ROI-basert analyse i innfødt eller MNI-rom 8,32) og ikke bare den som er beskrevet her.

For analyse av NM-MR-bilder kan forbehandling utføres for å korrigere for bevegelse og for å romlig normalisere individuelle fagdata til en standard anatomisk mal. Vi anbefaler følgende datasamlebånd som kombinerer statistisk parametrisk kartlegging (SPM) og avanserte normaliseringsverktøy (ANTs) for å bruke følgende verktøy i følgende trinn: (1) SPM-Juster for å justere og korrigere separat innhentede gjennomsnitt for bevegelse, og SPM-ImCalc for å gjennomsnittlig de justerte bildene; (2) antsBrainExtraction.sh for hjerneutvinning av T1w-bildet; (3) antsRegistrationSyN.sh (stiv + affin + deformerbar syn) for romlig normalisering av det hjerneekstraherte T1w-bildet til MNI152NLin2009cAsym-malområdet; (4) antsRegistrationSyN.sh (stiv) for å registrere NM-MR-bildet til T1w-bildet (i innfødt rom); (5) antsApplyTransforms å kombinere transformasjonene estimert i trinn 3 og 4 til en enkelt-trinns transformasjon for romlig normalisering av NM-MR-bildene til MNI-rommet; og (6) SPM-Smooth med en 1 mm Gauss-kjerne med full bredde ved halv maksimum for romlig utjevning av det romlig normaliserte NM-MR-bildet. Denne prosesseringsrørledningen ble tidligere vist å oppnå den høyeste test-retest-påliteligheten i litteraturen, med en gjennomsnittlig intra-klasse korrelasjonskoeffisient (ICC) innenfor SN på ~ 0,9032. Videre har flere tidligere studier brukt lignende forbehandlingsrørledninger 12,31,34,35,36,37.

Etter romlig normalisering skal NM-MR-bildene analyseres ved å beregne kontrast-til-støy-forholdet ved hver voxel (CNRV). CNR måler prosentsignalforskjellen mellom hver voxel (I V) og en referanse hvit substansregion kjent for å ha lite NM-innhold 12 (crus cerebri, I CC), gitt med følgende formel: CNR V = {[I V- mode (I CC)] / mode (ICC) } * 100. CNRV-verdier kan gjennomsnittsberegnes for hver deltaker for å bestemme CNR for hele SN eller kan analyseres på voxelwise-nivået i SN. Høyere CNR-verdier gjenspeiler økt NM-innhold i voxel eller ROI. I motsetning til noen andre analysemetoder som definerer SN ROI som hyperintensområdet i et NM-MR-bilde, bruker denne anbefalte metoden forhåndsdefinerte mal-ROIer som kan hentes fra litteraturen12 eller tegnes på gjennomsnittet av NM-MR-bilder i MNI-rom på tvers av alle i studien (ved hjelp av en studiespesifikk mal). Ikke bare er denne metoden helautomatisk, den fjerner også sirkularitet i analysen, står for heterogenitet i SN-VTA-komplekset, og begrenser ikke analysen til hele ROI-nivået. 

Når du tar NM-MRI-bilder, er det avgjørende at T1w-bildene som brukes til å plassere NM-MR-volumet, er justert langs AC-PC-linjen. Å gjøre det vil forbedre reproduserbarheten av skanningene. Det er også viktig å skaffe T1w-bildene så nært i tid før man tar NM-MR-bildene som mulig. Fordi T1w-bildet brukes til NM-MR-volumplassering, er det viktig at det nøyaktig representerer plasseringen av deltakerens hode i skanneren. Hvis deltakeren har flyttet mellom T1w-skanningen og NM-MR-skanningen, vil NM-MR-volumet ikke være riktig plassert. Minimering av tiden mellom innsamling av T1w-bildene og NM-MR-bildene vil redusere sannsynligheten for at deltakeren har flyttet mellom skanninger og dermed redusere sannsynligheten for at en del av SN ikke er inkludert i NM-MR-volumet.

Noen endringer i protokollen kan være nødvendig hvis det oppstår problemer med NM-MR-anskaffelsen. Hvis hele SN ikke er konsekvent dekket, selv etter korrigering av volumplasseringen, kan det hende at antall skiver i NM-MR-protokollen må økes for å fange opp hele SN. I tillegg, hvis deltakeren har problemer med å holde seg stille i hele NM-MR-skanningen, noe som resulterer i konsistente bevegelsesartefakter, kan individuelle repetisjoner anskaffes og gjennomsnittlig offline. For eksempel, i stedet for å fullføre en 10-minutters skanning som henter fem repetisjoner i gjennomsnitt online, kan fem 2-minutters skanninger hentes og gjennomsnittlig offline. Dette vil gi deltakeren muligheter for pauser mellom repetisjoner og kan hjelpe dem å forbli stille i løpet av de enkelte skanningene.

En begrensning ved denne protokollen er at den ikke gir full dekning av LC med standard NM-MRI innsamlingsprotokoller, slik at det noradrenerge systemet ikke blir grundig undersøkt ved hjelp av denne metoden. Mens LC er en struktur som kan avbildes ved hjelp av NM-MRI, vil inkludert LC i denne protokollen øke antall skiver som kreves for å pålitelig fange både SN og LC i sin helhet. Å øke antall skiver vil i sin tur øke skannetiden for denne protokollen. Fordi disse skanningene er følsomme for bevegelse, kan en økning i skannetiden gi bilder av lavere kvalitet, da deltakerne kan finne det vanskeligere å forbli stille i lengre perioder - spesielt problematisk i kliniske populasjoner. Derfor valgte vi å ikke inkludere LC i denne protokollen for å minimere potensialet for bevegelsesartefakter i dataene. Fremtidige studier bør undersøke påliteligheten av NM-MR-protokoller med et større antall skiver for samtidig å avbilde SN og LC.

En annen begrensning av denne protokollen er at AC-PC-justeringen av NM-MR-volumet kanskje ikke gir den optimale retningen for å avbilde SN. Selv om AC-PC-linjen er enkel å identifisere, minimerer ikke denne retningen delvis volumeffekter fullt ut, da den ikke er helt vinkelrett på SN. Tidligere arbeid har benyttet en skrå aksial seksjon vinkelrett på gulvet i fjerde ventrikel for å avbilde SN38,39,40. Selv om denne volumplasseringen, eller en vinkelrett på hjerneakvedukten, kan gi mindre delvise volumeffekter enn AC-PC-justering, valgte vi å bruke AC-PC-linjen gitt sine klart definerte landemerker. Gyldigheten av denne justeringen ble vist i tidligere arbeid ved bruk av protokollen skissert ovenfor, der utmerket test-retest-reliabilitet ble oppnådd32. AC-PC-justering har også blitt brukt i flere andre studier. Cassidy og medarbeidere fant at pasienter med kokainavhengighet hadde høyere SN CNR-verdier enn kontroller35. I en studie av pasienter med senfasedepresjon fant Wengler og medarbeidere at psykomotorisk funksjon var korrelert med SN CNR-verdier36. Et tredje papir fant også at Parkinsons pasienter hadde redusert CNR i SN mens pasienter med psykose hadde økt CNR i SN12.

Imidlertid har ingen studier direkte sammenlignet forskjellige volumplasseringsmetoder, og dette er et område som fremtidig forskning bør utforske for å avgjøre hvilken metode som gir den beste test-retest-påliteligheten på tvers av flere oppkjøp. 3D NM-MR-sekvenser kan gi en alternativ løsning fordi de gir større fleksibilitet i omformatering etter anskaffelse. Videre oppnår 3D-sekvenser et høyere signal-til-støy-forhold enn 2D-sekvenser, noe som potensielt gir høyere romlig oppløsning, men kommer på bekostning av økt følsomhet for bevegelse. For øyeblikket er 2D-GRE MT den eneste omfattende validerte NM-MR-sekvensen - den motiverende faktoren for å bruke den til denne protokollen. Fremtidige studier bør sammenligne NM-MR-signal fra 3D-sekvenser med NM-konsentrasjon og striatal dopaminfunksjon, og reproduserbarhet i forhold til 2D-GRE MT før utbredt adopsjon.

Denne protokollen har fordeler i forhold til andre NM-MR-protokoller fordi den gir lett identifiserbare landemerker for NM-MRI-volumplassering, noe som gjør den svært reproduserbar. Det gir også online kvalitetskontroller, som ingen annen NM-MR-protokoll har inkludert. Disse kvalitetskontrollene gjør det mulig for eksperimentøren å gjenerobre bilder hvis de er av dårlig kvalitet i stedet for bare å ekskludere motivet fra analysen.

NM-MR er et verdifullt verktøy som har blitt brukt til å undersøke flere nevropsykiatriske lidelser. NM-MR er et proxy-mål for dopaminfunksjon i nigrostriatalbanen12, og tilbyr dermed en metode for å undersøke det in vivo dopaminerge systemet som ikke krever invasive prosedyrer som PET. Pasienter med schizofreni har økt NM-signal i SN38,41, som støtter tidligere studier som har vist økt dopaminerg funksjon i schizofreni. NM-MR-signal i SN korrelerer også med alvorlighetsgraden av psykose hos pasienter med schizofreni og de med høy risiko for schizofreni12. Forskning har også vist at personer med kokainbruksforstyrrelse har økt NM-MR-signal i de ventrolaterale områdene av SN35, og at hos pasienter med senlivsdepresjon er lavere NM-MR-signal i SN korrelert med motorbremsing36. I tillegg har NM-MR blitt brukt til å studere dopaminerg celletap under tilstander som Parkinsons sykdom.

Kitao og kolleger etablerte at NM-MR-signal i SN er korrelert med antall pigmenterte dopaminerge nevroner i SN11, og andre har vist at NM-MR-signal i SN dopaminerge nevroner er redusert i Parkinsons sykdom 6,9,39,40. Videre forskning hos Parkinsons pasienter har brukt NM-MR for å kartlegge det topografiske mønsteret av SN-celletap12 og progresjonen av SN-celletap i løpet av sykdommen37. Samlet sett tyder dette på at NM-MR ikke bare gir innsikt i de underliggende kjemiske komponentene i nevropsykiatriske lidelser, men det kan også være nyttig som biomarkør for å forutsi sykdomsutbrudd og alvorlighetsgrad. Vi håper at den standardiserte protokollen som presenteres her vil lette det videre arbeidet med å utvikle klinisk nyttige biomarkører basert på NM-MR30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Dr. Horga og Wengler rapporterte hver å ha patenter for analyse og bruk av nevromelaninavbildning i sykdommer i sentralnervesystemet (WO2021034770A1, WO2020077098A1), lisensiert til Terran Biosciences, men har ikke mottatt royalties.

Acknowledgments

Dr. Horga mottok støtte fra NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr. Wengler fikk støtte fra 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

Nevrovitenskap utgave 175
Standardisert datainnsamling for nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning av 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