सब्सटेंशिया निग्रा के न्यूरोमेलेनिन-संवेदनशील चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग के लिए मानकीकृत डेटा अधिग्रहण
Summary
यह प्रोटोकॉल दिखाता है कि सबस्टियन निग्रा के न्यूरोमेलेनिन-संवेदनशील चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग डेटा कैसे प्राप्त करें।
Abstract
डोपामिनर्जिक प्रणाली स्वस्थ अनुभूति (जैसे, इनाम सीखने और अनिश्चितता) और न्यूरोसाइकिएट्रिक विकारों (जैसे, पार्किंसंस रोग और सिज़ोफ्रेनिया) में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। न्यूरोमेलेनिन डोपामाइन संश्लेषण का एक उपोत्पाद है जो सब्सटेंशिया निग्रा के डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स में जमा होता है। न्यूरोमेलेनिन-संवेदनशील चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एनएम-एमआरआई) उन डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स में न्यूरोमेलेनिन को मापने के लिए एक गैर-आक्रामक विधि है, जो सब्सटेंशिया नाइग्रा में डोपामिनर्जिक सेल हानि का प्रत्यक्ष माप प्रदान करती है और डोपामाइन फ़ंक्शन का एक प्रॉक्सी उपाय प्रदान करती है। यद्यपि एनएम-एमआरआई को विभिन्न न्यूरोसाइकियाट्रिक विकारों का अध्ययन करने के लिए उपयोगी दिखाया गया है, लेकिन इसे हीन-बेहतर दिशा में सीमित क्षेत्र-दृश्य द्वारा चुनौती दी जाती है जिसके परिणामस्वरूप सब्सटेंशिया निग्रा के हिस्से के आकस्मिक बहिष्करण से डेटा का संभावित नुकसान होता है। इसके अलावा, क्षेत्र में एनएम-एमआरआई डेटा के अधिग्रहण के लिए एक मानकीकृत प्रोटोकॉल की कमी है, जो क्लिनिक में बड़े पैमाने पर मल्टीसाइट अध्ययन और अनुवाद की सुविधा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह प्रोटोकॉल चरण-दर-चरण एनएम-एमआरआई वॉल्यूम प्लेसमेंट प्रक्रिया और ऑनलाइन गुणवत्ता नियंत्रण जांच का वर्णन करता है ताकि पूरे ठोस निग्रा को कवर करने वाले अच्छी गुणवत्ता वाले डेटा के अधिग्रहण को सुनिश्चित किया जा सके।
Introduction
न्यूरोमेलेनिन (एनएम) एक डार्क पिगमेंट है जो सब्सटेंशिया निग्रा (एसएन) के डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स और लोकस कोरुलस (एलसी) 1,2 के नॉरएड्रेनर्जिक न्यूरॉन्स में पाया जाता है। एनएम को साइटोसोलिक डोपामाइन और नॉरपेनेफ्रिन के लौह-निर्भर ऑक्सीकरण द्वारा संश्लेषित किया जाता है और सोमा3 में ऑटोफैजिक रिक्तिकाओं में संग्रहीत किया जाता है। यह पहली बार 2-3 साल की उम्र के आसपास मनुष्यों में दिखाई देता है और 1,4,5 साल की उम्र के साथ जमा होता है।
एसएन और एलसी न्यूरॉन्स के एनएम युक्त रिक्तिकाओं के भीतर, एनएम लोहे के साथ कॉम्प्लेक्स बनाता है। ये एनएम-आयरन कॉम्प्लेक्स पैरामैग्नेटिक हैं, जो चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) 6,7 का उपयोग करके एनएम के गैर-आक्रामक विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति देते हैं। एमआरआई स्कैन जो एनएम की कल्पना कर सकते हैं, उन्हें एनएम-संवेदनशील एमआरआई (एनएम-एमआरआई) के रूप में जाना जाता है और उच्च एनएम एकाग्रता (जैसे, एसएन) और आसपास के सफेद पदार्थ 8,9 वाले क्षेत्रों के बीच अंतर प्रदान करने के लिए प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष चुंबकीकरण हस्तांतरण प्रभाव का उपयोग करते हैं।
मैग्नेटाइजेशन ट्रांसफर कंट्रास्ट मैक्रोमोलेक्यूलर-बाउंड वॉटर प्रोटॉन (जो मैग्नेटाइजेशन ट्रांसफर पल्स द्वारा संतृप्त होते हैं) और आसपास के मुक्त पानी प्रोटॉन के बीच बातचीत का परिणाम है। एनएम-एमआरआई में, यह माना जाता है कि एनएम-आयरन कॉम्प्लेक्स की पैरामैग्नेटिक प्रकृति आसपास के मुक्त जल प्रोटॉन के टी1 को छोटा कर देती है, जिसके परिणामस्वरूप चुंबकीकरण-हस्तांतरण प्रभाव कम हो जाते हैं ताकि उच्च एनएम एकाग्रता वाले क्षेत्र एनएम-एमआरआई स्कैन10 पर हाइपरइंटेंस दिखाई दें। इसके विपरीत, एसएन के आसपास के सफेद पदार्थ में एक उच्च मैक्रोमोलेक्यूलर सामग्री होती है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े चुंबकीकरण-हस्तांतरण प्रभाव होते हैं ताकि ये क्षेत्र एनएम-एमआरआई स्कैन पर हाइपोइंटेंस दिखाई दें, इस प्रकार एसएन और आसपास के सफेद पदार्थ के बीच उच्च अंतर प्रदान करते हैं।
एसएन में, एनएम-एमआरआई डोपामिनर्जिक सेल लॉस11 और डोपामाइन सिस्टम फ़ंक्शन12 का मार्कर प्रदान कर सकता है। ये दो प्रक्रियाएं कई न्यूरोसाइकियाट्रिक विकारों के लिए प्रासंगिक हैं और नैदानिक और प्रीक्लिनिकल काम के एक विशाल शरीर द्वारा समर्थित हैं। उदाहरण के लिए, डोपामाइन फ़ंक्शन में असामान्यताएं स्किज़ोफ्रेनिया में व्यापक रूप से देखी गई हैं; पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी (पीईटी) का उपयोग करके विवो अध्ययनों में स्ट्रिएटल डोपामाइन रिलीज में वृद्धि हुई है 13,14,15,16 और डोपामाइन संश्लेषण क्षमता में वृद्धि 17,18,19,20,21,22 . इसके अलावा, पोस्टमार्टम अध्ययनों से पता चला है कि स्किज़ोफ्रेनिया वाले रोगियों में बेसल गैन्ग्लिया23 और एसएन 24,25 में टायरोसिन हाइड्रॉक्सिलेज के स्तर में वृद्धि हुई है- डोपामाइन संश्लेषण में शामिल दर-सीमित एंजाइम।
कई अध्ययनों ने डोपामिनर्जिक सेल हानि के पैटर्न की जांच की है, खासकर पार्किंसंस रोग में। पोस्टमार्टम अध्ययनों से पता चला है कि एसएन के पिगमेंटेड डोपामिनर्जिक न्यूरॉन्स पार्किंसंस रोग26,27 में न्यूरोडीजेनेरेशन की प्राथमिक साइट हैं, और यह कि, जबकि पार्किंसंस रोग में एसएन सेल हानि सामान्य उम्र बढ़ने में सेल हानि के साथ सहसंबद्ध नहीं है28, यह रोग की अवधि के साथ सहसंबद्ध है29 . डोपामिनर्जिक प्रणाली की जांच के लिए अधिकांश तरीकों के विपरीत, गैर-इनवेसिवनेस, लागत-प्रभावशीलता और आयनीकरण विकिरण की कमी एनएम-एमआरआई को एक बहुमुखी बायोमार्कर30 बनाती है।
इस पेपर में वर्णित एनएम-एमआरआई प्रोटोकॉल को एनएम-एमआरआई के भीतर-विषय और पार-विषय प्रजनन क्षमता दोनों को बढ़ाने के लिए विकसित किया गया था। यह प्रोटोकॉल हीन-बेहतर दिशा में एनएम-एमआरआई स्कैन के सीमित कवरेज के बावजूद एसएन का पूर्ण कवरेज सुनिश्चित करता है। प्रोटोकॉल कोरोनल, और अक्षीय त्रि-आयामी (3 डी) टी 1-भारित (टी 1 डब्ल्यू) छवियों का उपयोग करता है, और उचित स्लाइस स्टैक प्लेसमेंट प्राप्त करने के लिए चरणों का पालन किया जाना चाहिए। इस पेपर में उल्लिखित प्रोटोकॉल का उपयोग कईअध्ययनों 31,32 में किया गया है और बड़े पैमाने पर परीक्षण किया गया था। वेंगलर एट अल ने इस प्रोटोकॉल की विश्वसनीयता का एक अध्ययन पूरा किया जिसमें एनएम-एमआरआई छवियों को कई दिनोंमें प्रत्येक प्रतिभागी में दो बार प्राप्त किया गया था। इंट्रा-क्लास सहसंबंध गुणांक ने रुचि के क्षेत्र (आरओआई) आधारित और वोक्सेलवाइज विश्लेषण के लिए इस पद्धति की उत्कृष्ट परीक्षण-पुन: परीक्षण विश्वसनीयता का प्रदर्शन किया, साथ ही छवियों में उच्च विरोधाभास भी दिखाया।
Protocol
Representative Results
Discussion
डोपामिनर्जिक प्रणाली स्वस्थ अनुभूति और न्यूरोसाइकियाट्रिक विकारों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है। विवो में डोपामिनर्जिक प्रणाली की बार-बार जांच करने के लिए उपयोग किए जा सकने वाले गैर-आक्रामक ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
होर्गा को एनआईएमएच (आर01-एमएच 114965, आर01-एमएच 117323) से समर्थन मिला। वेंगलर को एनआईएमएच (एफ 32-एमएच 125540) से समर्थन मिला।
Materials
| 3T Magnetic Resonance Imaging | General Electric | GE SIGNA Premier with 48-channel head coil |
References
- 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).
- Zucca, F. A., et al. The neuromelanin of human substantia nigra: physiological and pathogenic aspects. Pigment Cell Research. 17 (6), 610-617 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sasaki, M., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging of locus ceruleus and substantia nigra in Parkinson’s disease. Neuroreport. 17 (11), 1215-1218 (2006).
- Trujillo, P., et al. Contrast mechanisms associated with neuromelanin-MRI. Magnetic Resonance in Medicine. 78 (5), 1790-1800 (2017).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hietala, J., et al. Presynaptic dopamine function in striatum of neuroleptic-naive schizophrenic patients. Lancet. 346 (8983), 1130-1131 (1995).
- 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).
- Meyer-Lindenberg, A., et al. Reduced prefrontal activity predicts exaggerated striatal dopaminergic function in schizophrenia. Nature Neuroscience. 5 (3), 267-271 (2002).
- 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).
- 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).
- 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).
- Toru, M., et al. Neurotransmitters, receptors and neuropeptides in post-mortem brains of chronic schizophrenic patients. Acta Psychiatrica Scandinavica. 78 (2), 121-137 (1988).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fearnley, J. M., Lees, A. J. Ageing and Parkinson’s disease: substantia nigra regional selectivity. Brain. 114 (5), 2283-2301 (1991).
- 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).
- 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).
- Wengler, K., et al. Cross-scanner harmonization of neuromelanin-sensitive MRI for multisite studies. Journal of Magnetic Resonance Imaging. , (2021).
- 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).
- Griswold, M. A., et al. Generalized autocalibrating partially parallel acquisitions (GRAPPA). Magnetic Resonance in Medicine. 47 (6), 1202-1210 (2002).
- 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).
- 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).
- Wengler, K., et al. Association between neuromelanin-sensitive MRI signal and psychomotor slowing in late-life depression. Neuropsychopharmacology. 46, 1233-1239 (2020).
- Biondetti, E., et al. Spatiotemporal changes in substantia nigra neuromelanin content in Parkinson’s disease. Brain. 143 (9), 2757-2770 (2020).
- 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).
- 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).
- Matsuura, K., et al. Neuromelanin magnetic resonance imaging in Parkinson’s disease and multiple system atrophy. European Neurology. 70 (1-2), 70-77 (2013).
- 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).
