Standardisert datainnsamling for nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning av substantia nigra

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 forkorter_T1 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 SN^24,25.

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 aldring^28, 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 studier^31,32 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.

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 Forbered deg på å skaffe høyoppløselige T1w-bilder ved hjel…

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 s…

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.

<p class=…

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil