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Neuroscience

Aquisição de Dados Padronizados para Ressonância Magnética Sensível à Neuromelanina da Substância Negra

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

Este protocolo mostra como adquirir dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina da substância negra.

Abstract

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável (por exemplo, recompensa de aprendizagem e incerteza) e distúrbios neuropsiquiátricos (por exemplo, doença de Parkinson e esquizofrenia). A neuromelanina é um subproduto da síntese de dopamina que se acumula nos neurônios dopaminérgicos da substância negra. A ressonância magnética sensível à neuromelanina (NM-MRI) é um método não invasivo para medir a neuromelanina nesses neurônios dopaminérgicos, fornecendo uma medida direta da perda de células dopaminérgicas na substância negra e uma medida proxy da função da dopamina. Embora a RM-NM tenha se mostrado útil para o estudo de vários distúrbios neuropsiquiátricos, ela é desafiada por um campo de visão limitado na direção inferior-superior, resultando na perda potencial de dados da exclusão acidental de parte da substância negra. Além disso, o campo carece de um protocolo padronizado para a aquisição de dados de NM-MRI, um passo crítico para facilitar estudos multissite em larga escala e tradução para a clínica. Este protocolo descreve um procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI e verificações de controle de qualidade on-line para garantir a aquisição de dados de boa qualidade que cobrem toda a substância substancial.

Introduction

A neuromelanina (NM) é um pigmento escuro encontrado nos neurônios dopaminérgicos da substância negra (SN) e nos neurônios noradrenérgicos do locus coeruleus (LC)1,2. A NM é sintetizada pela oxidação ferro-dependente da dopamina citosólica e da norepinefrina e é armazenada em vacúolos autofágicos no soma3. Aparece pela primeira vez em humanos por volta dos 2-3 anos de idade e se acumula com a idadede 1,4,5.

Dentro dos vacúolos contendo NM dos neurônios SN e LC, o NM forma complexos com ferro. Esses complexos NM-ferro são paramagnéticos, permitindo a visualização não invasiva da NM por meio de ressonância magnética (RM)6,7. As ressonâncias magnéticas (RNM) que podem visualizar a RNM são conhecidas como IRM sensível à NM (NM-MRI) e utilizam efeitos de transferência de magnetização direta ou indireta para fornecer contraste entre regiões com alta concentração de NM (por exemplo, a SN) e a substância branca circundante 8,9.

O contraste de transferência de magnetização é o resultado da interação entre prótons de água ligados macromolecularmente (que são saturados pelos pulsos de transferência de magnetização) e os prótons de água livre circundantes. Na NM-MRI, acredita-se que a natureza paramagnética dos complexos NM-ferro encurta o T1 dos prótons de água livre circundantes, resultando em efeitos reduzidos de magnetização-transferência, de modo que regiões com maior concentração de NM parecem hiperintensas nos exames NM-MRI10. Por outro lado, a substância branca ao redor do SN tem um alto conteúdo macromolecular, resultando em grandes efeitos de magnetização-transferência, de modo que essas regiões parecem hipointensas nos exames de NM-MRI, proporcionando assim alto contraste entre o SN e a substância branca circundante.

No SN, o NM-MRI pode fornecer um marcador de perda de células dopaminérgicas11 e função do sistema dopaminérgico12. Esses dois processos são relevantes para vários transtornos neuropsiquiátricos e são apoiados por um vasto corpo de trabalho clínico e pré-clínico. Por exemplo, anormalidades na função da dopamina têm sido amplamente observadas na esquizofrenia; estudos in vivo utilizando tomografia por emissão de pósitrons (PET) mostraram aumento da liberação estriatal de dopamina 13,14,15,16 e aumento da capacidade de síntese de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Além disso, estudos post-mortem mostraram que pacientes com esquizofrenia têm níveis aumentados de tirosina hidroxilase – a enzima limitante da taxa envolvida na síntese de dopamina – nos gânglios da base23 e SN24,25.

Vários estudos investigaram padrões de perda de células dopaminérgicas, particularmente na doença de Parkinson. Estudos post-mortem revelaram que os neurônios dopaminérgicos pigmentados do SN são o principal local de neurodegeneração na doença de Parkinson 26,27, e que, embora a perda de células SN na doença de Parkinson não esteja correlacionada com a perda celular no envelhecimento normal28, está correlacionada com a duração da doença 29 . Ao contrário da maioria dos métodos para investigar o sistema dopaminérgico, a não invasividade, o custo-efetividade e a falta de radiação ionizante fazem da RM-NM um biomarcador versátil30.

O protocolo NM-MRI descrito neste trabalho foi desenvolvido para aumentar a reprodutibilidade da NM-MRI dentro e entre sujeitos. Este protocolo garante a cobertura total do SN, apesar da cobertura limitada dos exames de RM-NM na direção inferior-superior. O protocolo faz uso de imagens sagitais, coronais e tridimensionais (3D) ponderadas em T1 (T1w), e os passos devem ser seguidos para alcançar o posicionamento adequado da pilha de fatias. O protocolo descrito neste trabalho tem sido utilizado em múltiplos estudos31,32 e foi extensivamente testado. Wengler et al. completaram um estudo sobre a confiabilidade desse protocolo no qual as imagens de NM-MRI foram adquiridas duas vezes em cada participante ao longo de vários dias32. Os coeficientes de correlação intraclasse demonstraram excelente confiabilidade teste-reteste deste método para análises baseadas em região de interesse (ROI) e voxelwise, bem como alto contraste nas imagens.

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Protocol

NOTA: A pesquisa realizada para desenvolver este protocolo foi realizada em conformidade com as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional do Instituto Psiquiátrico do Estado de Nova York (IRB #7655). Um sujeito foi escaneado para gravação do vídeo do protocolo e o termo de consentimento livre e esclarecido foi obtido. Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre o scanner de ressonância magnética usado neste protocolo.

1. Parâmetros de aquisição da RNM

  1. Prepare-se para adquirir imagens T1w de alta resolução usando uma sequência de eco gradiente de aquisição rápida (MPRAGE) preparada por magnetização 3D com os seguintes parâmetros: resolução espacial = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; campo de visão (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; tempo de eco (TE) = 3,43 ms; tempo de repetição (TR) = 2462 ms; tempo de inversão (TI) = 1060 ms; ângulo de inversão = 8°; fator de imagem paralelo no plano (ARC) = 2; fator de imagem paralelo através do plano (ARC) = 233; largura de banda = 208 Hz/pixel; tempo total de aquisição = 6 min 39 s.
  2. Prepare-se para adquirir imagens NM-MRI usando uma sequência de eco recordada gradiente bidimensional (2D) com contraste de transferência de magnetização (2D GRE-MTC) com os seguintes parâmetros: resolução = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; espessura de fatia = 1,5 mm; 20 fatias; folga de corte = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; ângulo de inversão = 40°; largura de banda = 122 Hz/pixel; Deslocamento de frequência MT = 1,2 kHz; Duração do pulso MT = 8 ms; Ângulo de inversão MT = 670°; número de médias = 5; tempo total de aquisição = 10 min 4 s.
    NOTA: Embora os resultados exibidos tenham usado esses parâmetros de aquisição de RM, esse protocolo é válido para vários protocolos de imagem T1w e NM-MRI. O protocolo NM-MRI deve cobrir ~25 mm na direção inferior-superior para garantir a cobertura completa do SN.

2. Colocação do volume de NM-MRI

  1. Adquira uma imagem T1w de alta resolução (≤1 mm de tamanho de voxel isotrópico). Use a reformatação on-line diretamente após a aquisição da imagem para criar imagens T1w de alta resolução alinhadas à linha de comissura anterior-comissura posterior (AC-PC) e à linha média.
    1. Realize a reformatação on-line usando o software fornecido pelo fornecedor (por exemplo, se adquirir dados em um scanner GE: Reconstrução MultiPlanar (MPR) em Planejamento; se adquirir dados em um scanner Siemens: MPR no Cartão de Tarefas 3D; se adquirir dados em um scanner Philips: MPR no Modo de Renderização do Pacote VolumeView).
      1. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano axial perpendicular à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
      2. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano coronal perpendicular à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
      3. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano sagital paralelo à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
  2. Carregue as vistas sagital, coronal e axial da imagem T1w de alta resolução reformatada e certifique-se de que as linhas de referência que descrevem a localização de cada fatia exibida estejam presentes.
  3. Identifique a imagem sagital que mostra a maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo (Figura 1A). Para fazer isso, inspecione visualmente as fatias sagitais da imagem T1w reformatada até que a fatia que mostra essa maior separação seja identificada.
  4. Usando a imagem sagital do final da etapa 2.3, identifique visualmente o plano coronal que delineia o aspecto mais anterior do mesencéfalo (Figura 1B).
  5. Utilizando a imagem coronal do final da etapa 2.4, identifique visualmente o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo (Figura 1C).
  6. Na imagem sagital do final da etapa 2.3, alinhar o limite superior do volume da RM-NM ao plano axial identificado na etapa 2.5 (Figura 1D).
  7. Mover o limite superior do volume NM-MRI 3 mm na direção superior (Figura 1E).
  8. Alinhar o volume da RM-NM à linha média nas imagens axiais e coronais (Figura 1F).
  9. Adquira as imagens NM-MRI.

Figure 1
Figura 1: Imagens que exibem o procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI. Linhas amarelas indicam a localização das fatias usadas para a colocação do volume, conforme descrito no protocolo. (A) Primeiro, identifica-se a imagem sagital com maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo (etapa 2.3 do protocolo). (B) Em segundo lugar, usando a imagem de A, o plano coronal que delineia o aspecto mais anterior do mesencéfalo é identificado (passo 2.4). (C) Em terceiro lugar, na imagem coronal do plano identificado em B, identifica-se o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo (etapa 2.5). (D) Em quarto lugar, o plano axial identificado em C é exibido na imagem sagital de A (etapa 2.6). (E) Em quinto lugar, o plano axial de D é deslocado 3 mm na direção superior, e este plano indica o limite superior do volume NM-MRI (passo 2.7). (F) A colocação final do volume da RM-NM onde a imagem coronal corresponde a C, a imagem sagital corresponde a A e a imagem axial corresponde ao plano axial em E. O volume da RM-NM está alinhado à linha média do cérebro nas imagens coronal e axial e à linha AC-PC na imagem sagital (etapa 2.8). Parte dessa figura foi reimpressa com permissão da Elsevier de 30. Abreviaturas: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina; AC-PC = comissura anterior-comissura posterior. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Verificações de controle de qualidade

  1. Certifique-se de que as imagens de NM-MRI adquiridas cobrem todo o SN e que o SN é visível nas imagens centrais, mas não nas imagens mais superiores ou mais inferiores do volume NM-MRI. Caso contrário (Figura 2), repita as etapas 2.3-2.9 para garantir o posicionamento correto do volume NM-MRI. Se o participante se moveu significativamente desde a aquisição da varredura T1w de alta resolução, repita as etapas 2.1-2.9.

Figure 2
Figura 2: Exemplo de uma aquisição de NM-MRI que falhou na primeira verificação de controle de qualidade (etapa 3.1 do protocolo). Cada uma das 20 fatias NM-MRI exibidas da mais inferior (imagem superior esquerda) para a mais superior (imagem inferior direita); a janela/nível da imagem foi ajustada para exagerar o contraste entre a substantia nigra e a crus cerebri. As setas laranjas nas fatias 15-19 mostram a localização da substância negra nessas fatias. A seta vermelha na fatia mais superior (fatia 20) mostra que a substância negra ainda é visível nesta fatia e, portanto, a aquisição falha na verificação de qualidade. Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Verifique se há artefatos, particularmente aqueles que passam pelo SN e pela substância branca circundante, inspecionando visualmente cada fatia da ressonância magnética NM adquirida.
    1. Procure mudanças abruptas na intensidade do sinal com um padrão linear que não respeite os limites anatômicos normais. Por exemplo, isso pode aparecer como uma região de baixa intensidade que é ladeada por duas regiões de alta intensidade.
    2. Se o artefato for o resultado de vasos sanguíneos (Figura 3A), retenha as imagens NM-MRI, pois esses artefatos provavelmente sempre estarão presentes.
    3. Se os artefatos forem o resultado do movimento da cabeça do participante (Figura 3B), lembre-o de ficar o mais imóvel possível e readquirir as imagens de NM-MRI de acordo com a etapa 3.2.5.
    4. Se os artefatos forem ambíguos (Figura 3C), readquira as imagens NM-MRI de acordo com a etapa 3.2.5. Após a reaquisição, se os artefatos permanecerem presentes, prossiga com essas imagens, pois elas provavelmente são biológicas e não resultado de problemas de aquisição.
    5. Se as imagens NM-MRI passarem na verificação de controle de qualidade na etapa 3.1, copie o posicionamento do volume NM-MRI anterior. Se as imagens NM-MRI falharem na verificação de controle de qualidade na etapa 3.1, repita as etapas 2.3-2.9 para garantir o posicionamento correto do volume NM-MRI (ou etapas 2.1-2.9 se o participante se moveu significativamente).

Figure 3
Figura 3: Exemplos de aquisições de NM-MRI que falharam na segunda verificação de controle de qualidade (etapa 3.2 do protocolo). Apenas uma fatia representativa é mostrada para cada caso. (A) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato de vaso sanguíneo (setas vermelhas) que é o resultado do vaso sanguíneo identificado pelas setas azuis. (B) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a artefatos de movimento (setas vermelhas). (C) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato ambíguo (setas vermelhas). Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Representative Results

A Figura 4 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante a cobertura completa do SN, alcançada seguindo a etapa 2 do protocolo descrito na Figura 1, e imagens satisfatórias de NM-MRI seguindo a etapa 3 do protocolo. Excelente contraste entre o SN e as regiões vizinhas da substância branca com concentração insignificante de NM (isto é, crus cerebri) pode ser observado. Essas imagens foram verificadas imediatamente após a aquisição para garantir a cobertura adequada do SN e verificar se há artefatos. Como a cobertura total do SN foi alcançada sem nenhum artefato, a varredura passou nas verificações de qualidade e não precisou ser repetida.

Figure 4
Figura 4: Exemplo de uma aquisição representativa de NM-MRI. Cada uma das 20 fatias NM-MRI exibidas da mais inferior (imagem superior esquerda) para a mais superior (imagem inferior direita); a janela/nível da imagem foi ajustada para exagerar o contraste entre a substância negra e o crus cerebral de uma participante de 28 anos de idade, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante cobertura completa da substância substancial, cobertura parcial do locus coeruleus e imagens satisfatórias de NM-MRI. Excelente contraste entre a substância negra e regiões vizinhas da substância branca sem concentração de neuromelanina (ou seja, crus cerebrus) pode ser visto em fatias 9-16. A imagem na parte inferior mostra uma visão ampliada do mesencéfalo a partir da fatia 13. Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 2 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos, cujas imagens falharam na primeira verificação de controle de qualidade (etapa 3.1). O SN é visível no fatia mais superior (fatia 20), indicando que a cobertura total do SN não foi alcançada. Nesse caso, os dados devem ser readquiridos repetindo as etapas 2.3-2.9 do protocolo, conforme mostrado na Figura 1. Se o participante se moveu significativamente desde a aquisição da imagem T1w inicial, o pesquisador deve retornar à etapa 2.1 para readquirir a imagem T1w.

A Figura 3 mostra imagens de exemplo que falharam na segunda verificação de controle de qualidade (etapa 3.2). Conforme descrito na etapa 3.2, as varreduras contendo artefatos devido aos vasos sanguíneos (Figura 3A) não precisam ser repetidas, pois esses artefatos provavelmente estarão presentes em todas as aquisições. As varreduras que contêm artefatos resultantes de movimento (Figura 3B) ou artefatos ambíguos (Figura 3C) devem ser repetidas. No caso de artefatos ambíguos, se os artefatos permanecerem presentes após a reaquisição, a varredura não precisará ser readquirida ainda mais, pois os artefatos provavelmente são biológicos e, portanto, estarão presentes em todas as aquisições.

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Discussion

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável e distúrbios neuropsiquiátricos. O desenvolvimento de métodos não invasivos que podem ser usados para investigar repetidamente o sistema dopaminérgico in vivo é fundamental para o desenvolvimento de biomarcadores clinicamente significativos. O protocolo descrito aqui fornece instruções passo a passo para a aquisição de imagens NM-MRI de boa qualidade do SN, incluindo a colocação do volume NM-MRI e verificações de controle de qualidade para garantir dados utilizáveis.

Embora protocolos detalhados para análise de dados de NM-MRI tenham sido discutidos em outros lugares, para completude, fornecemos um breve resumo de nosso trabalho anterior e recomendações para o pré-processamento de imagens NM-MRI e análises voxelwise. Essa abordagem foi validada anteriormente em conjunto com o protocolo de aquisição descrito neste artigo. Estudos anteriores discutem as vantagens desse método com mais detalhes e fornecem dados que sustentam sua reprodutibilidade 6,12,32. Note-se, no entanto, que o protocolo de aquisição padronizado aqui descrito é aplicável a qualquer estratégia de processamento e análise (incluindo análise baseada em ROI no espaço nativo ou MNI 8,32) e não apenas a descrita aqui.

Para a análise de imagens NM-MRI, o pré-processamento pode ser realizado para corrigir o movimento e normalizar espacialmente os dados individuais do sujeito para um modelo anatômico padrão. Recomendamos que o seguinte pipeline combinando Mapeamento Paramétrico Estatístico (SPM) e ANTs (Ferramentas Avançadas de Normalização) use as seguintes ferramentas nas seguintes etapas: (1) SPM-Realign para realinhar e corrigir médias adquiridas separadamente para movimento e SPM-ImCalc para calcular a média das imagens realinhadas; (2) antsBrainExtraction.sh para extração cerebral da imagem T1w; (3) antsRegistrationSyN.sh (rígida + afim + sine deformável) para normalização espacial da imagem T1w extraída do cérebro para o espaço modelo MNI152NLin2009cAsym; (4) antsRegistrationSyN.sh (rígido) para co-registrar a imagem NM-MRI com a imagem T1w (no espaço nativo); (5) antsApplyTransforms para combinar as transformações estimadas nas etapas 3 e 4 em uma transformação de uma única etapa para normalização espacial das imagens NM-MRI para o espaço MNI; e (6) SPM-Smooth com um núcleo gaussiano de largura total à metade máxima de 1 mm para suavização espacial da imagem NM-MRI espacialmente normalizada. Esse pipeline de processamento mostrou anteriormente alcançar a maior confiabilidade teste-reteste da literatura, com um coeficiente de correlação intraclasse (CCI) médio dentro do SN de ~0,9032. Além disso, vários estudos anteriores utilizaram pipelines de pré-processamento semelhantes 12,31,34,35,36,37.

Após a normalização espacial, as imagens de RM-NM devem ser analisadas pelo cálculo da relação contraste-ruído em cada voxel (CNRV). O CNR mede a diferença percentual de sinal entre cada voxel (I V) e uma região de substância branca de referência conhecida por ter pouco conteúdo de NM 12 (crus cerebri, I CC), dada pela seguinte fórmula: CNR V = {[I V- mode(I CC)] / mode(I CC)}*100. Os valoresde CNR V podem ser calculados em média para cada participante para determinar o CNR de todo o SN ou podem ser analisados no nível voxelwise dentro do SN. Valores mais altos de CNR refletem o aumento do conteúdo de NM nesse voxel ou ROI. Ao contrário de alguns outros métodos de análise que definem o ROI SN como a região hiperintensa em uma imagem NM-MRI, este método recomendado usa ROIs modelo predefinidos que podem ser obtidos da literatura12 ou desenhados na média de imagens NM-MRI no espaço MNI em todos os sujeitos do estudo (usando um modelo específico do estudo). Este método não só é totalmente automatizado, como também remove a circularidade na análise, explica a heterogeneidade dentro do complexo SN-VTA e não limita a análise ao nível de ROI total. 

Ao adquirir imagens NM-MRI, é fundamental que as imagens T1w usadas para colocar o volume NM-MRI estejam alinhadas ao longo da linha AC-PC. Isso melhorará a reprodutibilidade das varreduras. Também é importante adquirir as imagens T1w o mais próximo possível antes de adquirir as imagens NM-MRI. Como a imagem T1w é usada para a colocação do volume NM-MRI, é importante que ela represente com precisão a localização da cabeça do participante no scanner. Se o participante tiver se movido entre a varredura T1w e a ressonância magnética NM, o volume da NM-MRI não será colocado adequadamente. Minimizar a quantidade de tempo entre a aquisição das imagens T1w e as imagens NM-MRI diminuirá a probabilidade de que o participante tenha se movido entre os exames e, portanto, diminuirá a probabilidade de que parte do SN não seja incluída no volume NM-MRI.

Algumas modificações no protocolo podem ser necessárias se surgirem problemas com a aquisição de NM-MRI. Se todo o SN não for consistentemente coberto, mesmo após a correção da colocação do volume, o número de fatias no protocolo NM-MRI pode precisar ser aumentado para capturar todo o SN. Além disso, se o participante tiver dificuldade em ficar parado durante toda a ressonância magnética NM, resultando em artefatos de movimento consistentes, as repetições individuais podem ser adquiridas e calculadas em média off-line. Por exemplo, em vez de completar uma varredura de 10 minutos que adquire cinco repetições em média on-line, cinco varreduras de 2 minutos podem ser adquiridas e calculadas em média off-line. Isso daria ao participante oportunidades de pausas entre repetições e poderia ajudá-lo a permanecer imóvel durante a duração dos exames individuais.

Uma limitação deste protocolo é que ele não fornece cobertura total do LC com protocolos padrão de aquisição de NM-MRI, impedindo que o sistema noradrenérgico seja minuciosamente investigado usando esse método. Embora o LC seja uma estrutura que pode ser fotografada usando NM-MRI, incluir o LC neste protocolo aumentaria o número de fatias necessárias para capturar de forma confiável o SN e o LC em sua totalidade. Aumentar o número de fatias aumentaria, por sua vez, o tempo de varredura para esse protocolo. Como essas varreduras são sensíveis ao movimento, um aumento no tempo de varredura pode produzir imagens de menor qualidade, pois os participantes podem achar mais difícil permanecer parados por períodos mais longos – particularmente problemáticos em populações clínicas. Assim, optou-se por não incluir o LC neste protocolo para minimizar o potencial de artefatos de movimento nos dados. Estudos futuros devem investigar a confiabilidade dos protocolos de RM-NM com maior número de cortes para imagem simultânea do SN e do LC.

Uma segunda limitação deste protocolo é que o alinhamento AC-PC do volume NM-MRI pode não fornecer a orientação ideal para a imagem do SN. Embora a linha AC-PC seja fácil de identificar, essa orientação não minimiza totalmente os efeitos parciais do volume, pois não é perfeitamente perpendicular ao SN. Trabalhos anteriores utilizaram uma seção axial oblíqua perpendicular ao assoalho do quarto ventrículo para a imagem do SN38,39,40. Embora essa colocação de volume, ou uma perpendicular ao aqueduto cerebral, possa proporcionar menos efeitos parciais de volume do que o alinhamento AC-PC, optou-se por usar a linha AC-PC devido aos seus pontos de referência claramente definidos. A validade desse alinhamento foi demonstrada em trabalhos anteriores utilizando o protocolo acima descrito, no qual foi alcançada excelente confiabilidade teste-reteste32. O alinhamento AC-PC também tem sido usado em vários outros estudos. Cassidy e col. encontraram que pacientes com dependência de cocaína apresentaram valores mais elevados de SN CNR do que os controles35. Em um estudo com pacientes com depressão tardia, Wengler et al. encontraram que a função psicomotora estava correlacionada com os valores de SN CNR36. Um terceiro artigo também descobriu que os pacientes de Parkinson tinham reduzido a CNR no SN, enquanto os pacientes com psicose tinham aumentado o CNR no SN12.

No entanto, nenhum estudo comparou diretamente diferentes métodos de colocação de volume, e essa é uma área que pesquisas futuras devem explorar para determinar qual método fornece a melhor confiabilidade teste-reteste em várias aquisições. As sequências 3D NM-MRI podem fornecer uma solução alternativa porque fornecem maior flexibilidade na reformatação após a aquisição. Além disso, as sequências 3D alcançam uma relação sinal-ruído mais alta do que as sequências 2D, potencialmente permitindo uma maior resolução espacial, mas ao custo de uma maior sensibilidade ao movimento. Atualmente, o 2D-GRE MT é a única sequência NM-MRI amplamente validada – o fator motivador para usá-lo para este protocolo. Estudos futuros devem comparar o sinal de NM-MRI de sequências 3D com a concentração de NM e a função de dopamina estriatal, e reprodutibilidade em comparação com 2D-GRE MT antes da adoção generalizada.

Este protocolo tem vantagens sobre outros protocolos NM-MRI porque fornece pontos de referência facilmente identificáveis para a colocação de volume NM-MRI, tornando-o altamente reprodutível. Ele também fornece verificações de qualidade on-line, que nenhum outro protocolo NM-MRI incluiu. Essas verificações de qualidade permitem que o experimentador readquira imagens se elas forem de baixa qualidade, em vez de simplesmente excluir esse assunto da análise.

NM-MRI é uma ferramenta valiosa que tem sido usada para investigar vários distúrbios neuropsiquiátricos. A NM-MRI é uma medida proxy da função dopaminérgica na via nigrostriatal12, oferecendo assim um método de exame do sistema dopaminérgico in vivo que não requer procedimentos invasivos, como a PET. Pacientes com esquizofrenia apresentaram aumento do sinal de NM no SN38,41, apoiando estudos prévios que revelaram aumento da função dopaminérgica na esquizofrenia. O sinal de RM-NM no SN também se correlaciona com a gravidade da psicose em pacientes com esquizofrenia e naqueles com alto risco para esquizofrenia12. A pesquisa também mostrou que indivíduos com transtorno por uso de cocaína têm aumento do sinal NM-MRI nas regiões ventrolaterais do SN35, e que em pacientes com depressão tardia, menor sinal NM-MRI no SN está correlacionado com a desaceleração motora36. Além disso, NM-MRI tem sido usado para estudar a perda de células dopaminérgicas em condições como a doença de Parkinson.

Kitao e seus colegas estabeleceram que o sinal NM-MRI no SN está correlacionado com o número de neurônios dopaminérgicos pigmentados no SN11, e outros mostraram que o sinal NM-MRI nos neurônios dopaminérgicos SN está diminuído na doença de Parkinson 6,9,39,40. Outras pesquisas em pacientes com Parkinson utilizaram a RM-NM para mapear o padrão topográfico da perda de células SN12 e a progressão da perda de células SN ao longo da doença37. No total, isso sugere que não apenas a NM-MRI fornece informações sobre os componentes químicos subjacentes dos distúrbios neuropsiquiátricos, mas também pode ser útil como um biomarcador na previsão do início e da gravidade da doença. Esperamos que o protocolo padronizado aqui apresentado facilite trabalhos futuros para o desenvolvimento de biomarcadores clinicamente úteis com base na NM-MRI30.

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Disclosures

Os Drs. Horga e Wengler relataram ter patentes para análise e uso de imagens de neuromelanina em distúrbios do sistema nervoso central (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licenciados para a Terran Biosciences, mas não receberam royalties.

Acknowledgments

O Dr. Horga recebeu apoio do NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). O Dr. Wengler recebeu apoio do 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

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Neurociência Edição 175
Aquisição de Dados Padronizados para Ressonância Magnética Sensível à Neuromelanina da Substância Negra
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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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