Standardiserad datainsamling för neuromelaninkänslig magnetisk resonansavbildning av Substantia Nigra

Summary

Detta protokoll visar hur man förvärvar neuromelaninkänsliga magnetiska resonansavbildningsdata från substantia nigra.

Abstract

Det dopaminerga systemet spelar en avgörande roll för hälsosam kognition (t.ex. belöningsinlärning och osäkerhet) och neuropsykiatriska störningar (t.ex. Parkinsons sjukdom och schizofreni). Neuromelanin är en biprodukt av dopaminsyntes som ackumuleras i dopaminerga neuroner i substantia nigra. Neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi (NM-MRI) är en icke-invasiv metod för att mäta neuromelanin i dessa dopaminerga neuroner, vilket ger ett direkt mått på dopaminerg cellförlust i substantia nigra och ett proxymått på dopaminfunktionen. Även om NM-MRI har visat sig vara användbart för att studera olika neuropsykiatriska störningar, utmanas det av ett begränsat synfält i underlägsen-överlägsen riktning vilket resulterar i potentiell förlust av data från oavsiktlig uteslutning av en del av substantia nigra. Dessutom saknar fältet ett standardiserat protokoll för insamling av NM-MRI-data, ett kritiskt steg för att underlätta storskaliga multisitestudier och översättning till kliniken. Detta protokoll beskriver ett steg-för-steg NM-MRI-volymplaceringsförfarande och online-kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa insamling av data av god kvalitet som täcker hela substantia nigra.

Introduction

Neuromelanin (NM) är ett mörkt pigment som finns i dopaminerga neuroner av substantia nigra (SN) och noradrenerga neuroner i locus coeruleus (LC)^1,2. NM syntetiseras genom järnberoende oxidation av cytosoliskt dopamin och noradrenalin och lagras i autofagiska vakuoler i soma³. Det förekommer först hos människor runt 2-3 års ålder och ackumuleras med^ålder 1,4,5.

Inom de NM-innehållande vakuolerna av SN- och LC-neuroner bildar NM komplex med järn. Dessa NM-järnkomplex är paramagnetiska, vilket möjliggör icke-invasiv visualisering av NM med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRI)^6,7. MR-skanningar som kan visualisera NM kallas NM-känsliga MRI (NM-MRI) och använder antingen direkta eller indirekta magnetiseringsöverföringseffekter för att ge kontrast mellan regioner med hög NM-koncentration (t.ex. SN) och den omgivande vita substansen ^8,9.

Magnetiseringsöverföringskontrast är resultatet av interaktionen mellan makromolekylärbundna vattenprotoner (som är mättade av magnetiseringsöverföringspulserna) och de omgivande fria vattenprotonerna. I NM-MRI antas det att den paramagnetiska naturen hos NM-järnkomplex förkortar T₁ för de omgivande fria vattenprotonerna, vilket resulterar i minskade magnetiseringsöverföringseffekter så att regioner med högre NM-koncentration verkar hyperintense på NM-MRI-skanningar¹⁰. Omvänt har den vita substansen som omger SN ett högt makromolekylärt innehåll, vilket resulterar i stora magnetiseringsöverföringseffekter så att dessa regioner verkar hypoinenta vid NM-MRI-skanningar, vilket ger hög kontrast mellan SN och omgivande vit substans.

I SN kan NM-MR ge en markör för dopaminerg cellförlust¹¹ och dopaminsystemfunktion¹². Dessa två processer är relevanta för flera neuropsykiatriska funktionsnedsättningar och stöds av ett stort antal kliniska och prekliniska arbeten. Till exempel, avvikelser i dopamin funktion har observerats allmänt i schizofreni; in vivo-studier med positronemissionstomografi (PET) har visat ökad striatal dopaminfrisättning 13,14,15,16 och ökad dopaminsynteskapacitet 17,18,19,20,21,22 . Dessutom har obduktionsstudier visat att patienter med schizofreni har ökade nivåer av tyrosinhydroxylas-det hastighetsbegränsande enzymet som är involverat i dopaminsyntesen-i de basala ganglierna²³ och SN^24,25.

Flera studier har undersökt mönster för dopaminerg cellförlust, särskilt vid Parkinsons sjukdom. Post-mortem-studier har visat att de pigmenterade dopaminerga neuronerna i SN är den primära platsen för neurodegeneration vid Parkinsons sjukdom 26,27, och att medan SN-cellförlust vid Parkinsons sjukdom inte är korrelerad med cellförlust vid normalt åldrande^28, är det korrelerat med sjukdomens varaktighet ²⁹ . Till skillnad från de flesta metoder för att undersöka det dopaminerga systemet gör icke-invasivitet, kostnadseffektivitet och brist på joniserande strålning NM-MRI till en mångsidig biomarkör³⁰.

NM-MRI-protokollet som beskrivs i detta dokument utvecklades för att öka både reproducerbarheten av NM-MRI inom ämnet och över ämnet. Detta protokoll säkerställer full täckning av SN trots den begränsade täckningen av NM-MR-skanningar i sämre överlägsen riktning. Protokollet använder sagittala, koronala och axiella tredimensionella (3D) T1-viktade (T1w) bilder, och stegen bör följas för att uppnå korrekt placering av skivstapeln. Protokollet som beskrivs i detta dokument har använts i flera studier^31,32 och testades omfattande. slutförde en studie av tillförlitligheten i detta protokoll där NM-MRI-bilder förvärvades två gånger hos varje deltagare under flera dagar³². Korrelationskoefficienter inom klassen visade utmärkt test-retest-tillförlitlighet för denna metod för ROI-baserade och voxelwise-analyser (region of interest), samt hög kontrast i bilderna.

Protocol

OBS: Forskningen som genomfördes för att utveckla detta protokoll utfördes i enlighet med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board riktlinjer (IRB #7655). Ett ämne skannades för inspelning av protokollvideon och skriftligt informerat samtycke erhölls. Se materialförteckningen för mer information om MR-skannern som används i detta protokoll. 1. Parametrar för MR-förvärv Förbered dig på att skaffa högupplösta T1w-bilder med hjälp…

Representative Results

Figur 4 visar de representativa resultaten från en 28-årig kvinnlig deltagare utan psykiatriska eller neurologiska störningar. NM-MRI-protokollet säkerställer fullständig täckning av SN, vilket uppnås genom att följa steg 2 i protokollet som beskrivs i figur 1, och tillfredsställande NM-MRI-bilder genom att följa steg 3 i protokollet. Utmärkt kontrast mellan SN och angränsande regioner med vit substans med försumbar NM-koncentration (dvs crus cereb…

Discussion

Det dopaminerga systemet spelar en avgörande roll i hälsosam kognition och neuropsykiatriska störningar. Utvecklingen av icke-invasiva metoder som kan användas för att upprepade gånger undersöka det dopaminerga systemet in vivo är avgörande för utvecklingen av kliniskt meningsfulla biomarkörer. Protokollet som beskrivs här ger steg-för-steg-instruktioner för att skaffa NM-MRI-bilder av god kvalitet av SN, inklusive placering av NM-MRI-volymen och kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa a…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil