Adquisición estandarizada de datos para imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra

Resumen

Este protocolo muestra cómo adquirir datos de imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra.

Resumen

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.

Introducción

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 acumula^{con 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 SN^24,25.

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 normal^28, 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 estudios^31,32 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.

Protocolo

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.

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.

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.

2. 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).

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.

Resultados

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 insignif...

Discusión

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 cal...

Materiales

Name	Company	Catalog Number	Comments
3T Magnetic Resonance Imaging	General Electric		GE SIGNA Premier with 48-channel head coil