Vi presenterar en ny metod PET imaging för att fånga dopamin fluktuationer orsakade av cigarettrökning. Ämnen röka i PET-scannern. Dynamiska PET-bilder modelleras voxel-by-voxel i tid genom lp-ntPET, som innehåller en tidsvarierande dopamin sikt. Resultatet är "filmer" av dopamin fluktuationer i striatum under rökning.
Vi beskriver experimentella och statistiska steg för att skapa dopamin filmer av hjärnan från dynamiska PET-data. Filmerna representerar minut för minut fluktuationer av dopamin induceras av att röka en cigarett. Rökaren avbildas under en naturlig rökning erfarenhet medan andra eventuella störande effekter (t.ex. huvud rörelse, förväntan, krimskrams, eller motvilja mot rökning gånger) minimeras.
Vi presenterar detaljerna i vårt unika analys. Konventionella metoder för PET tidsinvarianta analys uppskattning kinetiska modellen parametrar som inte kan fånga kortsiktiga fluktuationer i neurotransmitterfrisättning. Vår analys – vilket ger en dopamin film – är baserad på vårt arbete med kinetiska modeller och andra tekniker nedbrytningsprodukter som möjliggör för tidsvarierande parametrar 1-7. Denna aspekt av analysen – temporal-variant – är nyckeln till vårt arbete. Eftersom vår modell är även linjär i parametrarna, är det praktiskt, beräkningsmässigt, att gälla vid the voxel nivå. Den analysteknik består av fem huvudsakliga steg: förbehandling, modellering, statistisk jämförelse, maskning och visualisering. Förbehandling appliceras på PET-data med en unik "HYPR 'rymdfiltret 8 som reducerar rumsbrus men bevarar kritisk temporal information. Modellering identifierar tidsvarierande funktion som bäst beskriver dopamin effekt på 11 C-rakloprid upptag. Den statistiska steget jämför passning av vår (lp-ntPET) Modell 7 till en konventionell modell 9. Maskering begränsar behandling till dessa voxlar bäst beskrivs av den nya modellen. Visualisering Kartor dopamin funktion vid varje voxel till en färgskala och producerar en dopamin film. Delresultat och prov filmer dopamin av cigarettrökning presenteras.
Trots överväldigande bevis för de medicinska riskerna är tobaksrökning fortfarande ett stort hälsoproblem. Det är helt enkelt mycket svårt att sluta röka. Över 20% av den vuxna amerikanska befolkningen fortsätter att röka och de flesta rökare som försöker sluta återfall inom den första månaden 10. Tyvärr, det finns få tillgängliga behandlingar till stöd i rökavvänjning och / eller minska nikotinberoende. I vårt labb, är vi intresserade av att använda PET imaging att förstå missbruk och beroende i syfte att bidra till utvecklingen av nya läkemedel för rökavvänjning och andra dopning.
Den snabba ökningen av dopamin i striatum tros koda beroendeframkallande ansvar av droger och beteenden 11 och en snabb återgång av dopamin till baslinjen kan vara relaterad till återkallelse och efterföljande drog-sökande. För vissa beroendeframkallande ämnen och beteenden som rökning, är höjden av striatal dopamin mycket kortlivade (minuter), the storleken på ökningen är inte stor (1-2X baslinjen), och den geografiska omfattningen av dessa svar kan begränsas till små delregioner i striatum.
Djurförsök visar tydligt att nikotin orsakar dopaminfrisättning i nucleus accumbens hos råttor 12. Men tidigare försök-användning av konventionella analyser – att uppskatta dopamin förändringar hos människa under eller efter nikotin eller rökning har gett otillförlitliga och motsägelsefulla resultat 13-18. Vissa av dessa studier tillät rökare att röka utanför skannern. Andra levererade bara nikotin till ämnet. För att på bästa studien beroende av cigaretter, satte vi ut för att utveckla bättre avbildning protokoll och komplettera dem med avancerade analyser som skulle tillåta oss att fånga hjärnans reaktion på ett skenbart naturligt rökvanor.
Positron Emission Tomography (PET) är unik bland hjärnan scanning tekniker i dess förmåga att sondera neurokemi av den mänskliga hjärnan < em> in vivo. Många PET spårämnen finns för att spåra dopaminreceptorer och många är känsliga för konkurrens med endogent dopamin. Olyckligtvis konventionella metoder för PET bildanalys uppskatta steady state förhållandet av bundet till fri tracer, känd som bindande potential (analog med in vitro-metoder), från dynamiska PET-bilder. En märkbar förändring i det steady state förhållandet (t.ex. från baslinjen till rökning skick) tas för att indikera dopamin förändring. Men de dopamin förändringar relevanta för missbruk är naturligt övergående så uppskattningar av en steady-state kvantitet är bristfällig. Dessutom, de typiska region av intresse analys genomsnitt spårämneskoncentrationen över stora anatomiskt definierade områden och kommer sannolikt att missa mycket lokala hjärnsvar – såsom de vi förväntar oss från cigarettrökning. Tidigare PET-studier av rökning kan också ha lidit av förflyttning av rökarna huvuden under rökning i skannern.
jove_content "> Funktionell MRI (fMRI) ger den nödvändiga rumsliga och temporal upplösning som skulle behövas för att fånga händelser som inträffar i delregioner i striatum på minuten tidsskalan men fMRI saknar den molekylära specificitet PET. den djärve signalen härrör från . förändringar i blodflödet och är därför neuronalt och molekylärt ospecifik alltså utnyttjade vi PET – men på ett nytt sätt Målet med detta protokoll var att uppskatta de korta och lokaliserade dopamin svar till rökning eftersom de tros ligga bakom den neurokemiska manifestation. begäret och drog-sökande uppförande.För att uppskatta dopamin transienter som fångas i dynamiska PET-bilder gjorda med dopamin-receptor ligander, introducerade vi tidigare en serie av kinetiska modeller, gemensamt kallade "ntPET" för signalsubstansen PET 1,5,6,19, som baserades på konventionell två-vävnad kompartmentmodell men utökades med termer för tid-variationen i dopamin och samspelet mellan dopamin och spårämnet (dvs. konkurrens). Dessa modeller har validerats mot en guldmyntfot. Specifikt har vi visat att våra modeller förutsäger dopaminkoncentrationer över tid från PET-data från råttor som är i god överensstämmelse med samtidigt förvärvade mikrodialys mätningar 4,7 Fördelar:. Den senaste av våra modeller har antingen linjära och icke-parametrisk (np -ntPET) 1 eller linjär och parametriska (lp-ntPET) 7. Den senare modellen härrör från en tidigare linjära modellen infördes av Alpert et al. 20. Linjärisering är en viktig utveckling eftersom det försäkrar att tillämpa de modeller för dynamiska data på Voxel nivå är beräkningsmässigt enkelt. I en nyligen proof-of-concept papper, kunde vi skapa dopamin filmer av en människa som utför en motorisk uppgift 3 och visar att filmerna var känslig för tidpunkten för motorisk uppgift som kan förväntas. Movies är representationer av tidsförloppet av dopamin nivåer vid varje voxel i bilden. Voxel-by-voxel metoder i PET i allmänhet lider av låg signal-brusförhållande, så för att minimera brus inneboende i voxel-baserade tid-aktivitetssamband kurvor (TAC), tillämpar vi en innovativ spatialfilter, 'HYPR', 8 som en pre -processteg. Detta steg bevarar viktiga temporala egenskaper hos de svarande voxels samtidigt minska bullret.
Rökning är mer än nikotin leverans. Cigaretter innehåller 4000 kemikalier förutom nikotin. Även nikotin tros ha huvudansvaret för de inledande beroendeframkallande effekter, alla andra signaler och sensoriska komponenter av rökning blir förstärkande till en vanerökare. Vi valde att studera hela beteende rökning vilket innebar att vi behövde för att kunna avbilda rökare röker medan inuti PET-scannern. Tyvärr, med rökning kommer head rörelse. För att eliminera artefakter head rörelse i våra bilder, använder vi Vicra motioN-tracking system (NDI Systems, Waterloo, Kanada) och händelse-by-händelsen rörelse korrigering som en del av en iterativ, upplösning återhämtning rekonstruktionsalgoritm 21.
Våra nya skanning och analysmetoder är utformade för att framkalla och fånga korta och lokaliserade dopamin transienter som är de unika signaturer av hjärnans reaktion på beroendeframkallande droger och beteenden. Framförd voxel-by-Voxel, våra modeller ger en dynamisk uppsättning bilder av striatala dopamin svängningar – dvs "dopamin filmer". Dessa filmer representerar en ny tid och rum biomarkör för missbruk och kan tjäna som en direkt, flerdimensionell riskindikator för missbruk och / eller indikator på behandlingseffekt.
Fynden i PET litteraturen på dopamin reaktion på rökning är inkonsekvent 13-18. Det kan finnas många orsaker till detta. Olika metodologiska svårigheter uppstår med alla försök att bilden cigarettrökning. Åtminstone måste man brottas med möjliga rörelseartefakter i data, passiv rökning exponering för forskare, blygsamma och kortvariga förändringar i dopamin som orsakar endast subtila förändringar i upptag och retention av spårämnet, 11 C-rakloprid .
Artificiell induktion av en stor och ihållande svar av dopamin kan vara möjligt genom att administrera en intravenös injektion av en stor dos av nikotin. Detta skulle emellertid strida mot våra underliggande mål att skapa dopamin filmer av cigarettrökning. Vår avsikt var att undersöka så noggrant som möjligt den dopaminerga svar på hela beteendet av rökning. I missbruk forskning, är en viktig distinktion mellan passiv förvaltningav läkemedel till en patient och självförvaltning. Vårt mål var att bilden självstyre – en rökare röker hans / hennes egen favorit märke av cigaretter – för att fånga och karakterisera korta dopaminerga svar till rökning. PET analyser förutsätter normalt att effekterna av ett läkemedel eller annan utmaning är långlivat förhållande till scan-durationen. Imaging rökning krävs således innovationer inom modellering och experiment med PET.
Kritiska steg i våra protokoll
Underlätta rökning i skannern
Maximera känslighet 11 C-rakloprid upptag för små förändringar i nivåerna av dopamin
Begränsningar för tolkningen av det presenterade resultatet
<ol>Det bör noteras att konstruera en lämplig sham rökning tillstånd är långt ifrån enkel. För rökare, kan blotta handlingen att föra en släckt cigarett till munnen vara givande och därmed frigöra dopamin. Således skulle en kontroll för rörelse men inte för förväntningar förmodligen en riktad motor rörelse jämförbar ansträngning och frekvens att ta bloss på en cigarett men inte en rörelse som inte på något sätt kunde förknippas med rökning såsom knapptryckningar eller manuell objektmanipulering .
Framtida
jove_content "> Vi har utvecklat en ny modell av PET spårämne upptag i närvaro av en kortsiktig fluktuation i endogen signalsubstans nivå. Eftersom modellen är linjär i parametrarna, kan det beräknas snabbt och enkelt på många voxlar. Slutpunkten för montering sådan en modell för PET-data på en Voxel-för-Voxel grund är en "film". För studier med D2 receptor markör, 11 C-rakloprid, är slutpunkten en dopamin film. Dopamin är den viktigaste neurotransmittorn i hjärnans bearbetning att belöna stimuli som leder till beroende. Eftersom vissa stimuli (notably cigaretter och alkohol) producerar endast milda och troligen kortlivad dopamin förändringar, kan filmerna har sin största potential för att studera missbruket av dessa två stimuli. Om vi kan använda vår dopamin filmer att identifiera rumsliga och tidsmässiga mönster dopaminfrisättning som är vägledande för beroende eller risk för missbruk, då dessa mönster skulle kunna fungera som markörer för sjukdomen, risken för sjukdomar, och- Förutsatt att mönstren är vändbara – indikatorer (farmakologisk-eller kognitiv-) behandlingseffekt.Det finns ingenting om våra filmer som begränsar dem till dopaminsystemet. Allt som behövs är en PET spårämne för ett mål av intresse som är känsligt för (dvs., lätt flyttbar med) fluktuationer i den endogena liganden för samma mål. Hittills har det varit skraltigt framsteg för att identifiera PET spårämnen som är tillförlitligt känslig för endogena signalsubstanser än dopamin. En översyn av serotonin litteratur under 2010, till exempel, målade nyktra bild av vår nuvarande begränsade förmåga att upptäcka serotoninfrisättning med PET 32. Nyligen har det funnits positiva utvecklingstendenser. Ett antal publikationer har rapporterat känslighet serotonin spårämnen till höjder i endogent serotonin i icke-humana primater 33-36 men fältet väntar liknande demonstrationer i människor. Som vi har diskuterat någon annanstans <sup> 37, känslighet för förändringar i endogen neurotransmittor koncentration förefaller utgöras av en optimal grad av förskjutning från receptorn i kombination med en enkel utströmning av spårämnet från vävnad till blod. När serotonin ligander har godkänts och visat sig ha sådana egenskaper, då serotonin filmer kommer också att vara möjligt.
För närvarande, de flesta PET-studier med receptor-spårämnen leda till genereringen av parametriska bilder. En parametrisk bild är en karta över ett visst spårämne kinetiska modellen parameter utvärderas vid varje voxel i objektet (dvs hjärnan). Tillämpning av konventionella modeller såsom SRTM 38,39 eller en-eller två-vävnad kompartmentmodell ger parametriska bilder av Ri, den regionala flödesparameter, eller BP, den regionala bindande potentiella värde. Båda dessa parametrar är fysiologiska konstanter som tros representera processer som är i stationärt tillstånd. Ibland kan emellertid systemet, och / eller processen att interested är ostadiga. Det vill säga, de är övergående. Så är fallet med den kortlivade respons av dopamin till cigarettrökning. Under sådana omständigheter är det inte möjligt att karakterisera dopamin övergående med en enda parametrisk bild. Det är inte heller lämpligt att modellera data med en modell som är strikt tidsinvariant i parametrarna. Det finns ett behov av en modell med en tidsvarierande term för att beskriva dopamin koncentrationsförändringar i striatum som svar till rökning. Den naturliga produktionen av en sådan modell när den används med en dopamin spårämne, är en film av dopamin. Detta är en ny form av funktionell bildutsignal som sannolikt kommer att sporra och kräva nya former av analys för att maximera sin nytta.
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar medlemmarna i Yale PET Center kemi laget för spårämne syntes, avbildning laget för spårämne injektion och bildtagning och Ms Sheila Huang för expert flödesschema design.
Mycket av utvecklingen av de ntPET tekniker stöddes av R21 AA15077 till E. Morris. K. Cosgrove stöds av K02 DA031750.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Vicra | NDI Systems, Waterloo, Canada | ||
HRRT | Siemens | ||
Air Filter | Movex, Inc, Northampton, PA | LFK 175 | With extractor and clear hood |
11C-raclopride | prepared at Yale PET Center from O-Desmethyl precursor | ||
O-Desmethylraclopride | ABX advanced biochemical compounds, Radeberg, Germany | Product #1510 | Precursor of 11C-raclopride |
Table 1. Materials used. |