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Neuroscience

Adquisición estandarizada de datos para imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia 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 muestra cómo adquirir datos de imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra.

Abstract

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable (por ejemplo, aprendizaje de recompensa e incertidumbre) y trastornos neuropsiquiátricos (por ejemplo, enfermedad de Parkinson y esquizofrenia). La neuromelanina es un subproducto de la síntesis de dopamina que se acumula en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra. La resonancia magnética sensible a la neuromelanina (NM-MRI) es un método no invasivo para medir la neuromelanina en esas neuronas dopaminérgicas, proporcionando una medida directa de la pérdida de células dopaminérgicas en la sustancia negra y una medida indirecta de la función de la dopamina. Aunque se ha demostrado que la RMN-NM es útil para estudiar diversos trastornos neuropsiquiátricos, se ve desafiada por un campo de visión limitado en la dirección inferior-superior, lo que resulta en la pérdida potencial de datos por la exclusión accidental de parte de la sustancia negra. Además, el campo carece de un protocolo estandarizado para la adquisición de datos de NM-MRI, un paso crítico para facilitar estudios multicéntricos a gran escala y su traducción a la clínica. Este protocolo describe un procedimiento paso a paso de colocación de volumen NM-MRI y controles de calidad en línea para garantizar la adquisición de datos de buena calidad que cubran toda la sustancia negra.

Introduction

La neuromelanina (NM) es un pigmento oscuro que se encuentra en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra (SN) y en las neuronas noradrenérgicas del locus coeruleus (LC)1,2. La NM se sintetiza por la oxidación dependiente del hierro de la dopamina citosólica y la norepinefrina y se almacena en vacuolas autofágicas en el soma3. Aparece por primera vez en humanos alrededor de los 2-3 años de edad y se acumulacon la edad 1,4,5.

Dentro de las vacuolas que contienen NM de las neuronas SN y LC, la NM forma complejos con hierro. Estos complejos NM-hierro son paramagnéticos, permitiendo la visualización no invasiva de NM mediante resonancia magnética (RM)6,7. Las imágenes por resonancia magnética que pueden visualizar NM se conocen como MRI sensibles a NM (NM-MRI) y utilizan efectos de transferencia de magnetización directa o indirecta para proporcionar contraste entre regiones con alta concentración de NM (por ejemplo, el SN) y la sustancia blanca circundante 8,9.

El contraste de transferencia de magnetización es el resultado de la interacción entre protones de agua unidos a macromoleculares (que están saturados por los pulsos de transferencia de magnetización) y los protones de agua libre circundantes. En NM-MRI, se cree que la naturaleza paramagnética de los complejos NM-hierro acorta el T1 de los protones de agua libre circundantes, lo que resulta en efectos reducidos de magnetización-transferencia, de modo que las regiones con mayor concentración de NM aparecen hiperintensas en las exploraciones NM-MRI10. Por el contrario, la sustancia blanca que rodea el SN tiene un alto contenido macromolecular, lo que resulta en grandes efectos de magnetización-transferencia, de modo que estas regiones aparecen hipointensas en las exploraciones NM-MRI, proporcionando así un alto contraste entre el SN y la sustancia blanca circundante.

En el SN, la RMN-MRI puede proporcionar un marcador de pérdida de células dopaminérgicas11 y función del sistema dopaminérgico12. Estos dos procesos son relevantes para varios trastornos neuropsiquiátricos y están respaldados por un vasto cuerpo de trabajo clínico y preclínico. Por ejemplo, las anomalías en la función de la dopamina se han observado ampliamente en la esquizofrenia; estudios in vivo que utilizan tomografía por emisión de positrones (PET) han demostrado un aumento de la liberación de dopamina estriatal 13,14,15,16 y un aumento de la capacidad de síntesis de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Además, los estudios post mortem han demostrado que los pacientes con esquizofrenia han aumentado los niveles de tirosina hidroxilasa, la enzima limitante de la velocidad involucrada en la síntesis de dopamina, en los ganglios basales23 y SN24,25.

Varios estudios han investigado los patrones de pérdida de células dopaminérgicas, particularmente en la enfermedad de Parkinson. Estudios post mortem han revelado que las neuronas dopaminérgicas pigmentadas del SN son el sitio primario de neurodegeneración en la enfermedad de Parkinson 26,27, y que, mientras que la pérdida de células SN en la enfermedad de Parkinson no se correlaciona con la pérdida celular en el envejecimiento normal28, se correlaciona con la duración de la enfermedad 29 . A diferencia de la mayoría de los métodos para investigar el sistema dopaminérgico, la no invasividad, la rentabilidad y la falta de radiación ionizante hacen de NM-MRI un biomarcador versátil30.

El protocolo de RMN-NM descrito en este documento se desarrolló para aumentar la reproducibilidad de la RMN-NM tanto dentro del sujeto como entre sujetos. Este protocolo garantiza una cobertura completa del SN a pesar de la cobertura limitada de las exploraciones NM-MRI en la dirección inferior-superior. El protocolo utiliza imágenes tridimensionales (3D) ponderadas en T1 (T1w) sagitales, coronales y axiales, y se deben seguir los pasos para lograr la colocación adecuada de la pila de cortes. El protocolo descrito en este trabajo ha sido utilizado en múltiples estudios31,32 y fue ampliamente probado. Wengler et al. completaron un estudio de la fiabilidad de este protocolo en el que las imágenes de RMN-MRI fueron adquiridas dos veces en cada participante en varios días32. Los coeficientes de correlación intraclase demostraron una excelente fiabilidad test-retest de este método para los análisis basados en regiones de interés (ROI) y voxelwise, así como un alto contraste en las imágenes.

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Protocol

NOTA: La investigación realizada para desarrollar este protocolo se realizó de acuerdo con las pautas de la Junta de Revisión Institucional del Instituto Psiquiátrico del Estado de Nueva York (IRB # 7655). Un sujeto fue escaneado para grabar el video de protocolo, y se obtuvo el consentimiento informado por escrito. Consulte la Tabla de materiales para obtener detalles sobre el escáner de resonancia magnética utilizado en este protocolo.

1. Parámetros de adquisición de MRI

  1. Prepárese para adquirir imágenes T1w de alta resolución utilizando una secuencia de eco de gradiente de adquisición rápida (MPRAGE) preparada por magnetización 3D con los siguientes parámetros: resolución espacial = 0.8 x 0.8 x 0.8 mm3; campo de visión (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; tiempo de eco (TE) = 3,43 ms; tiempo de repetición (TR) = 2462 ms; tiempo de inversión (TI) = 1060 ms; ángulo de giro = 8°; factor de imagen paralelo en el plano (ARC) = 2; factor de imagen paralelo a través del plano (ARC) = 233; ancho de banda = 208 Hz/píxel; Tiempo total de adquisición = 6 min 39 s.
  2. Prepárese para adquirir imágenes de RMN-MRI utilizando una secuencia de eco recuperada por gradiente bidimensional (2D) con contraste de transferencia de magnetización (2D GRE-MTC) con los siguientes parámetros: resolución = 0,43 x 0,43 mm2; Campo de visión = 220 x 220 mm2; grosor de la rebanada = 1,5 mm; 20 rebanadas; espacio de corte = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; ángulo de giro = 40°; ancho de banda = 122 Hz/píxel; Desplazamiento de frecuencia MT = 1,2 kHz; Duración del pulso MT = 8 ms; Ángulo de giro MT = 670°; número de promedios = 5; Tiempo total de adquisición = 10 min 4 s.
    NOTA: Aunque los resultados mostrados utilizaron estos parámetros de adquisición de MRI, este protocolo es válido para varios protocolos de imágenes T1w y NM-MRI. El protocolo NM-MRI debe cubrir ~25 mm en la dirección inferior-superior para garantizar una cobertura completa del SN.

2. Colocación del volumen de NM-MRI

  1. Adquiera una imagen T1w de alta resolución (tamaño de vóxel isotrópico de ≤1 mm). Utilice el reformateo en línea directamente después de la adquisición de imágenes para crear imágenes T1w de alta resolución alineadas con la línea de comisura anterior-comisura posterior (AC-PC) y la línea media.
    1. Realice reformatear en línea utilizando el software proporcionado por el proveedor (por ejemplo, si adquiere datos en un escáner GE: Reconstrucción MultiPlanar (MPR) en Planificación; si adquiere datos en un escáner Siemens: MPR en la tarjeta de tareas 3D; si adquiere datos en un escáner Philips: MPR en el modo de renderizado del paquete VolumeView).
      1. Cree reconstrucciones multiplanares de la imagen 3D T1w en el plano axial perpendicular a la línea AC-PC para cubrir todo el cerebro con un espacio mínimo entre cortes.
      2. Cree reconstrucciones multiplanares de la imagen 3D T1w en el plano coronal perpendicular a la línea AC-PC para cubrir todo el cerebro con un espacio mínimo entre cortes.
      3. Cree reconstrucciones multiplanares de la imagen 3D T1w en el plano sagital paralelo a la línea AC-PC para cubrir todo el cerebro con un espacio mínimo entre cortes.
  2. Cargue las vistas sagital, coronal y axial de la imagen T1w de alta resolución reformateada y asegúrese de que las líneas de referencia que representan la ubicación de cada sector mostrado estén presentes.
  3. Identifique la imagen sagital que muestra la mayor separación entre el mesencéfalo y el tálamo (Figura 1A). Para ello, inspeccione visualmente los cortes sagitales de la imagen T1w reformateada hasta que se identifique el sector que muestra esta mayor separación.
  4. Usando la imagen sagital del final del paso 2.3, identifique visualmente el plano coronal que delinea el aspecto más anterior del mesencéfalo (Figura 1B).
  5. Usando la imagen coronal del final del paso 2.4, identifique visualmente el plano axial que delinea el aspecto inferior del tercer ventrículo (Figura 1C).
  6. En la imagen sagital del final del paso 2.3, alinee el límite superior del volumen de NM-MRI con el plano axial identificado en el paso 2.5 (Figura 1D).
  7. Mueva el límite superior del volumen de NM-MRI 3 mm en la dirección superior (Figura 1E).
  8. Alinee el volumen de NM-MRI con la línea media en las imágenes axiales y coronales (Figura 1F).
  9. Adquiera las imágenes de NM-MRI.

Figure 1
Figura 1: Imágenes que muestran el procedimiento paso a paso de colocación de volumen NM-MRI. Las líneas amarillas indican la ubicación de los sectores utilizados para la colocación del volumen como se describe en el protocolo. (A) En primer lugar, se identifica la imagen sagital con mayor separación entre el mesencéfalo y el tálamo (paso 2.3 del protocolo). (B) En segundo lugar, utilizando la imagen de A, se identifica el plano coronal que delinea el aspecto más anterior del mesencéfalo (paso 2.4). (C) En tercer lugar, en la imagen coronal del plano identificado en B, se identifica el plano axial que delinea el aspecto inferior del tercer ventrículo (paso 2.5). (D) En cuarto lugar, el plano axial identificado en C se muestra en la imagen sagital de A (paso 2.6). (E) En quinto lugar, el plano axial de D se desplaza 3 mm en la dirección superior, y este plano indica el límite superior del volumen de NM-MRI (paso 2.7). (F) La colocación final del volumen NM-MRI donde la imagen coronal corresponde a C, la imagen sagital corresponde a A y la imagen axial corresponde al plano axial en E. El volumen de NM-MRI se alinea con la línea media del cerebro en las imágenes coronales y axiales y la línea AC-PC en la imagen sagital (paso 2.8). Parte de esta cifra ha sido reimpresa con permiso de Elsevier de 30. Abreviaturas: NM-MRI = resonancia magnética sensible a la neuromelanina; AC-PC = comisura anterior-comisura posterior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Controles de calidad

  1. Asegúrese de que las imágenes de RMN-NM adquiridas cubran todo el SN y que el SN sea visible en las imágenes centrales, pero no en las imágenes más superiores o inferiores del volumen de RMN-NM. De lo contrario (Figura 2), repita los pasos 2.3-2.9 para asegurar la colocación correcta del volumen de NM-MRI. Si el participante se ha movido significativamente desde la adquisición de la exploración T1w de alta resolución, repita los pasos 2.1-2.9.

Figure 2
Figura 2: Ejemplo de una adquisición de NM-MRI que no pasó el primer control de calidad (paso 3.1 del protocolo). Cada uno de los 20 cortes NM-MRI mostrados desde el más inferior (imagen superior izquierda) hasta el más superior (imagen inferior derecha); La ventana/nivel de la imagen se configuró para exagerar el contraste entre la sustancia negra y el crus cerebri. Las flechas naranjas en las rodajas 15-19 muestran la ubicación de la sustancia negra en esas rodajas. La flecha roja en el segmento más superior (corte 20) muestra que la sustancia negra todavía es visible en este segmento y, por lo tanto, la adquisición no pasa el control de calidad. Abreviatura: NM-MRI = resonancia magnética sensible a la neuromelanina. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Verifique si hay artefactos, particularmente los que pasan por el SN y la materia blanca circundante, inspeccionando visualmente cada porción de la exploración por RMN-NM adquirida.
    1. Busque cambios bruscos en la intensidad de la señal con un patrón lineal que no respete los límites anatómicos normales. Por ejemplo, esto puede aparecer como una región de baja intensidad que está flanqueada por dos regiones de alta intensidad.
    2. Si el artefacto es el resultado de vasos sanguíneos (Figura 3A), conserve las imágenes de RMN-NM porque lo más probable es que estos artefactos siempre estén presentes.
    3. Si los artefactos son el resultado del movimiento de la cabeza del participante (Figura 3B), recuérdele al participante que permanezca lo más quieto posible y vuelva a adquirir las imágenes de RMN-NM de acuerdo con el paso 3.2.5.
    4. Si los artefactos son ambiguos (Figura 3C), vuelva a adquirir las imágenes de RMN-NM según el paso 3.2.5. Tras la readquisición, si los artefactos permanecen presentes, proceda con estas imágenes, ya que probablemente sean biológicas en lugar de ser el resultado de problemas de adquisición.
    5. Si las imágenes de RMN-NM superan la comprobación de calidad del paso 3.1, copie la colocación anterior del volumen de RMN-MRI. Si las imágenes de RMN-RM no superan la comprobación de calidad del paso 3.1, repita los pasos 2.3-2.9 para garantizar la colocación correcta del volumen de RMN-RM (o los pasos 2.1-2.9 si el participante se movió significativamente).

Figure 3
Figura 3: Ejemplos de adquisiciones de NM-MRI que no pasaron la segunda verificación de control de calidad (paso 3.2 del protocolo). Solo se muestra un sector representativo para cada caso. (A) Una adquisición de NM-MRI que no pasa el control de calidad debido a un artefacto de vaso sanguíneo (flechas rojas) que es el resultado del vaso sanguíneo identificado por las flechas azules. (B) Una adquisición de NM-MRI que no pasa el control de calidad debido a artefactos de movimiento (flechas rojas). (C) Una adquisición de NM-MRI que no pasa el control de calidad debido a un artefacto ambiguo (flechas rojas). Abreviatura: NM-MRI = resonancia magnética sensible a la neuromelanina. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Representative Results

La Figura 4 muestra los resultados representativos de una participante femenina de 28 años sin trastornos psiquiátricos o neurológicos. El protocolo NM-MRI garantiza una cobertura completa del SN, lograda siguiendo el paso 2 del protocolo descrito en la Figura 1, e imágenes satisfactorias de NM-MRI siguiendo el paso 3 del protocolo. Se puede observar un excelente contraste entre el SN y las regiones vecinas de sustancia blanca con una concentración insignificante de NM (es decir, crus cerebri). Estas imágenes se verificaron inmediatamente después de la adquisición para garantizar la cobertura adecuada del SN y para verificar si había artefactos. Debido a que la cobertura completa del SN se logró sin ningún artefacto, el escaneo pasó los controles de calidad y no fue necesario repetirlo.

Figure 4
Figura 4: Ejemplo de una adquisición representativa de NM-MRI. Cada uno de los 20 cortes NM-MRI mostrados desde el más inferior (imagen superior izquierda) hasta el más superior (imagen inferior derecha); La ventana/nivel de la imagen se configuró para exagerar el contraste entre la sustancia negra y el crus cerebri de una participante femenina de 28 años sin trastornos psiquiátricos o neurológicos. El protocolo NM-MRI garantiza una cobertura completa de la sustancia negra, una cobertura parcial del locus coeruleus e imágenes satisfactorias de NM-MRI. Se puede observar un excelente contraste entre la sustancia negra y las regiones vecinas de la sustancia blanca sin concentración de neuromelanina (es decir, crus cerebrus) en las rodajas 9-16. La imagen en la parte inferior muestra una vista ampliada del mesencéfalo desde el corte 13. Abreviatura: NM-MRI = resonancia magnética sensible a la neuromelanina. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La figura 2 muestra los resultados representativos de una participante femenina de 28 años sin trastornos psiquiátricos o neurológicos cuyas imágenes no pasaron el primer control de calidad (paso 3.1). El SN es visible en el segmento más superior (segmento 20), lo que indica que no se logró una cobertura completa del SN. En este caso, los datos deben volver a adquirirse repitiendo los pasos 2.3-2.9 del protocolo, como se muestra en la Figura 1. Si el participante se ha movido significativamente desde la adquisición de la imagen T1w inicial, entonces el investigador debe volver al paso 2.1 para volver a adquirir la imagen T1w.

La figura 3 muestra imágenes de ejemplo que no superaron la segunda comprobación de control de calidad (paso 3.2). Como se describe en el paso 3.2, no es necesario repetir las exploraciones que contienen artefactos debidos a los vasos sanguíneos (Figura 3A), ya que es probable que esos artefactos estén presentes en cada adquisición. Los escaneos que contienen artefactos resultantes del movimiento (Figura 3B) o artefactos ambiguos (Figura 3C) deben repetirse. En el caso de artefactos ambiguos, si los artefactos permanecen presentes después de la readquisición, entonces el escaneo no necesita ser readquirido más ya que los artefactos son probablemente biológicos y, por lo tanto, estarán presentes en cada adquisición.

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Discussion

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable y los trastornos neuropsiquiátricos. El desarrollo de métodos no invasivos que puedan utilizarse para investigar repetidamente el sistema dopaminérgico in vivo es fundamental para el desarrollo de biomarcadores clínicamente significativos. El protocolo descrito aquí proporciona instrucciones paso a paso para adquirir imágenes de RMN de buena calidad del SN, incluida la colocación del volumen de RMN-NM y controles de control de calidad para garantizar datos utilizables.

A pesar de que los protocolos detallados para el análisis de los datos de NM-MRI se han discutido en otra parte, para completar, proporcionamos un breve resumen de nuestro trabajo anterior y recomendaciones para el preprocesamiento de imágenes de NM-MRI y análisis de voxelwise. Este enfoque ha sido validado previamente junto con el protocolo de adquisición descrito en este documento. Estudios previos discuten las ventajas de este método con más detalle y proporcionan datos que apoyan su reproducibilidad 6,12,32. Sin embargo, tenga en cuenta que el protocolo de adquisición estandarizado descrito en este documento es aplicable a cualquier estrategia de procesamiento y análisis (incluido el análisis basado en ROI en el espacio nativo o MNI 8,32) y no solo al descrito aquí.

Para el análisis de imágenes de NM-MRI, se puede realizar un preprocesamiento para corregir el movimiento y normalizar espacialmente los datos individuales del sujeto a una plantilla anatómica estándar. Recomendamos la siguiente canalización que combina el mapeo paramétrico estadístico (SPM) y las herramientas avanzadas de normalización (ANT) para usar las siguientes herramientas en los siguientes pasos: (1) SPM-Realign para realinear y corregir promedios de movimiento adquiridos por separado, y SPM-ImCalc para promediar las imágenes realineadas; (2) antsBrainExtraction.sh para la extracción cerebral de la imagen T1w; (3) antsRegistrationSyN.sh (rígido + afín + deformable syn) para la normalización espacial de la imagen T1w extraída del cerebro al espacio de plantilla MNI152NLin2009cAsym; (4) antsRegistrationSyN.sh (rígido) para coregistrar la imagen NM-MRI a la imagen T1w (en el espacio nativo); (5) antsApplyTransforms para combinar las transformaciones estimadas en los pasos 3 y 4 en una transformación de un solo paso para la normalización espacial de las imágenes NM-MRI al espacio MNI; y (6) SPM-Smooth con un núcleo gaussiano de ancho completo a la mitad como máximo para el suavizado espacial de la imagen NM-MRI espacialmente normalizada. Se demostró previamente que esta tubería de procesamiento logra la mayor confiabilidad test-retest en la literatura, con un coeficiente de correlación intraclase (ICC) promedio dentro del SN de ~0.9032. Además, varios estudios previos han utilizado tuberías de preprocesamiento similares 12,31,34,35,36,37.

Después de la normalización espacial, las imágenes NM-MRI deben analizarse calculando la relación contraste-ruido en cada vóxel (CNRV). El CNR mide la diferencia de señal porcentual entre cada vóxel (I V) y una región de sustancia blanca de referencia conocida por tener poco contenido de NM 12 (crus cerebri, I CC), dada por la siguiente fórmula: CNR V = {[I V- mode(I CC)] / mode(ICC)}*100. Los valores de CNRV se pueden promediar para cada participante para determinar el CNR de todo el SN o se pueden analizar a nivel de vóxeles dentro del SN. Los valores más altos de CNR reflejan un mayor contenido de NM en ese vóxel o ROI. A diferencia de otros métodos de análisis que definen el ROI SN como la región hiperintensa en una imagen de NM-MRI, este método recomendado utiliza ROI de plantilla predefinidos que se pueden obtener de la literatura12 o dibujar en el promedio de imágenes de NM-MRI en el espacio MNI en todos los sujetos del estudio (utilizando una plantilla específica del estudio). Este método no solo está completamente automatizado, sino que también elimina la circularidad en el análisis, tiene en cuenta la heterogeneidad dentro del complejo SN-VTA y no limita el análisis al nivel de ROI completo. 

Al adquirir imágenes de RMN-MRI, es fundamental que las imágenes T1w utilizadas para colocar el volumen de NM-MRI estén alineadas a lo largo de la línea AC-PC. Hacerlo mejorará la reproducibilidad de los escaneos. También es importante adquirir las imágenes T1w lo más cerca posible en el tiempo antes de adquirir las imágenes de NM-MRI. Debido a que la imagen T1w se utiliza para la colocación del volumen de NM-MRI, es importante que represente con precisión la ubicación de la cabeza del participante en el escáner. Si el participante se ha movido entre la exploración T1w y la exploración NM-MRI, entonces el volumen de NM-MRI no se colocará adecuadamente. Minimizar la cantidad de tiempo entre la adquisición de las imágenes T1w y las imágenes de NM-MRI disminuirá la probabilidad de que el participante se haya movido entre exploraciones y, por lo tanto, disminuirá la probabilidad de que parte del SN no esté incluido en el volumen de NM-MRI.

Es posible que se requieran algunas modificaciones al protocolo si surgen problemas con la adquisición de NM-MRI. Si todo el SN no se cubre de manera consistente, incluso después de corregir la colocación del volumen, entonces puede ser necesario aumentar el número de cortes en el protocolo NM-MRI para capturar todo el SN. Además, si el participante tiene dificultades para permanecer quieto durante la totalidad de la exploración NM-MRI, lo que resulta en artefactos de movimiento consistentes, las repeticiones individuales podrían adquirirse y promediarse fuera de línea. Por ejemplo, en lugar de completar un escaneo de 10 minutos que adquiere cinco repeticiones promediadas en línea, se podrían adquirir cinco escaneos de 2 minutos y promediarlos fuera de línea. Esto le daría al participante oportunidades para descansos entre repeticiones y puede ayudarlos a permanecer quietos durante la duración de las exploraciones individuales.

Una limitación de este protocolo es que no proporciona una cobertura completa de la LC con protocolos estándar de adquisición de NM-MRI, lo que impide que el sistema noradrenérgico se investigue a fondo utilizando este método. Si bien la LC es una estructura que se puede visualizar mediante NM-MRI, incluir la LC en este protocolo aumentaría el número de cortes necesarios para capturar de manera confiable tanto el SN como el LC en su totalidad. Aumentar el número de segmentos, a su vez, aumentaría el tiempo de escaneo para este protocolo. Debido a que estas exploraciones son sensibles al movimiento, un aumento en el tiempo de exploración puede producir imágenes de menor calidad, ya que a los participantes les puede resultar más difícil permanecer quietos durante períodos más largos, lo que es particularmente problemático en las poblaciones clínicas. Por lo tanto, elegimos no incluir el LC en este protocolo para minimizar el potencial de artefactos de movimiento en los datos. Los estudios futuros deben investigar la fiabilidad de los protocolos de RMN-NM con un mayor número de cortes para obtener imágenes simultáneamente del SN y la LC.

Una segunda limitación de este protocolo es que la alineación AC-PC del volumen de NM-MRI puede no proporcionar la orientación óptima para obtener imágenes del SN. Si bien la línea AC-PC es fácil de identificar, esta orientación no minimiza completamente los efectos de volumen parcial, ya que no es perfectamente perpendicular al SN. Trabajos anteriores han utilizado una sección axial oblicua perpendicular al piso del cuarto ventrículo para obtener imágenes del SN38,39,40. Si bien esta colocación de volumen, o una perpendicular al acueducto cerebral, puede proporcionar menos efectos de volumen parciales que la alineación AC-PC, elegimos usar la línea AC-PC dados sus puntos de referencia claramente definidos. La validez de esta alineación se demostró en trabajos previos utilizando el protocolo descrito anteriormente, en el que se logró una excelente confiabilidad test-retest32. La alineación AC-PC también se ha utilizado en varios otros estudios. Cassidy et al. encontraron que los pacientes con adicción a la cocaína tenían valores de SN CNR más altos que los controles35. En un estudio de pacientes con depresión tardía, Wengler et al. encontraron que la función psicomotora se correlacionó con los valores de SN CNR36. Un tercer artículo también encontró que los pacientes de Parkinson habían reducido la CNR en el SN, mientras que los pacientes con psicosis habían aumentado el CNR en el SN12.

Sin embargo, ningún estudio ha comparado directamente diferentes métodos de colocación de volumen, y esta es un área que la investigación futura debe explorar para determinar qué método proporciona la mejor confiabilidad de prueba-reprueba en múltiples adquisiciones. Las secuencias 3D NM-MRI podrían proporcionar una solución alternativa porque proporcionan una mayor flexibilidad en el reformateo después de la adquisición. Además, las secuencias 3D logran una relación señal-ruido más alta que las secuencias 2D, lo que potencialmente permite una mayor resolución espacial, pero a costa de una mayor sensibilidad al movimiento. Actualmente, 2D-GRE MT es la única secuencia de NM-MRI ampliamente validada, el factor motivador para usarla para este protocolo. Los estudios futuros deben comparar la señal de NM-MRI de secuencias 3D con la concentración de NM y la función de dopamina estriatal, y la reproducibilidad en comparación con 2D-GRE MT antes de la adopción generalizada.

Este protocolo tiene ventajas sobre otros protocolos NM-MRI porque proporciona puntos de referencia fácilmente identificables para la colocación del volumen de NM-MRI, lo que lo hace altamente reproducible. También proporciona controles de calidad en línea, que ningún otro protocolo de NM-MRI ha incluido. Estos controles de calidad permiten al experimentador volver a adquirir imágenes si son de mala calidad en lugar de simplemente excluir a ese sujeto del análisis.

NM-MRI es una herramienta valiosa que se ha utilizado para investigar varios trastornos neuropsiquiátricos. La RMN-NM es una medida indirecta de la función de la dopamina en la vía nigroestriatal12, ofreciendo así un método para examinar el sistema dopaminérgico in vivo que no requiere procedimientos invasivos como la PET. Los pacientes con esquizofrenia han aumentado la señal de NM en el SN38,41, apoyando estudios previos que han revelado un aumento de la función dopaminérgica en la esquizofrenia. La señal de NM-MRI en el SN también se correlaciona con la gravedad de la psicosis en pacientes con esquizofrenia y aquellos con alto riesgo de esquizofrenia12. La investigación también ha demostrado que los individuos con trastorno por consumo de cocaína han aumentado la señal de NM-MRI en las regiones ventrolaterales del SN35, y que en pacientes con depresión tardía, una menor señal de NM-MRI en el SN se correlaciona con la desaceleración motora36. Además, NM-MRI se ha utilizado para estudiar la pérdida de células dopaminérgicas en condiciones como la enfermedad de Parkinson.

Kitao y sus colegas establecieron que la señal de NM-MRI en el SN se correlaciona con el número de neuronas dopaminérgicas pigmentadas en el SN11, y otros han demostrado que la señal de NM-MRI en las neuronas dopaminérgicas SN disminuye en la enfermedad de Parkinson 6,9,39,40. Investigaciones adicionales en pacientes con Parkinson han utilizado NM-MRI para mapear el patrón topográfico de la pérdida de células SN12 y la progresión de la pérdida de células SN en el curso de la enfermedad37. En conjunto, esto sugiere que la resonancia magnética no solo proporciona información sobre los componentes químicos subyacentes de los trastornos neuropsiquiátricos, sino que también puede ser útil como biomarcador para predecir la aparición y la gravedad de la enfermedad. Esperamos que el protocolo estandarizado presentado aquí facilite el trabajo futuro para desarrollar biomarcadores clínicamente útiles basados en NM-MRI30.

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Disclosures

Horga y Wengler informaron tener patentes para el análisis y uso de imágenes de neuromelanina en trastornos del sistema nervioso central (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licenciadas a Terran Biosciences, pero no han recibido regalías.

Acknowledgments

El Dr. Horga recibió apoyo del NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). El Dr. Wengler recibió apoyo del 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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Neurociencia Número 175
Adquisición estandarizada de datos para imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia 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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