יצירת תמונות דינמיות של תנודות דופמין קצרות עם LP-ntPET: סרטי דופמין של עישון סיגריות

Summary

אנו מציגים גישה חדשנית להדמית PET לכידת תנודות דופמין הנגרמות על ידי עישון סיגריות. נושאים לעשן בסורק PET. תמונות חיות מחמד דינמיות הן מודל voxel-by-voxel בזמן על ידי LP-ntPET, הכולל טווח דופמין זמן משתנה. התוצאות הן 'סרטים' של תנודות הדופמין בסטריאטום במהלך עישון.

Abstract

אנו מתארים את שלבים ניסוי וסטטיסטיים ליצירת סרטי דופאמין במוח מנתוני PET דינמיים. הסרטים מייצגים תנודות דקות לדקות של דופמין הנגרמות על ידי עישון סיגריה. המעשן צילמו במהלך חווית עישון טבעית, תוך תופעות בלבול אפשריות אחרות (כגון תנועת ראש, ציפייה, חידוש, או סלידה מעישון שוב ושוב) הן מזעריות.

אנו מציגים את הפרטים של הניתוח הייחודי שלנו. שיטות מקובלות לניתוח פרמטרים PET הערכת הזמן-invariant הקינטית מודל שבו לא ניתן ללכוד את התנודות קצרות טווח בשחרור הנוירוטרנסמיטר. הניתוח שלנו - מניב סרט דופמין - מבוסס על העבודה שלנו עם דגמים קינטיים וטכניקות פירוק אחרות המאפשרים לזמן משתנה-פרמטרים ^1-7. היבט זה של הניתוח - זמנית-וריאציה - הוא מפתח לעבודה שלנו. כי המודל שלנו הוא גם ליניארי בפרמטרים, זה מעשי, המחשוב, ליישם ברמת voxel דואר. טכניקת הניתוח מורכבת מחמישה שלבים עיקריים: עיבוד מראש, דוגמנות, סטטיסטי לשם השוואה, מיסוך וויזואליזציה. עיבוד מקדים הוא הוחל על נתוני PET עם ⁸ המסנן המרחבי 'HYPR "ייחודי המפחית את הרעש במרחב אבל שומר מידע זמני קריטי. דוגמנות מזהה את הפונקציה משתנה בזמן בצורה הטובה ביותר, מתארת ​​את השפעת דופמין ב ^{-11 בספיגה} C-raclopride. משווה את הצעד הסטטיסטי ההתקף של המודל (LP-ntPET) ⁷ למודל מקובל ^9. מיסוך מגביל את הטיפול לאותם voxels המתואר הטוב ביותר על ידי המודל החדש. ויזואליזציה של מפות פונקצית דופמין בכל voxel לסולם צבעים ומייצר סרט דופמין. תוצאות ביניים לדוגמה וסרטי דופאמין של עישון סיגריות מוצגות.

Introduction

למרות ראיות מכריעות של הסיכונים הרפואיים, עישון טבק הוא עדיין בעיה בריאותית משמעותית. זה פשוט קשה מאוד להפסיק לעשן. מעל 20% מאוכלוסיית ארה"ב המבוגר ממשיכים לעשן ורוב המעשנים המנסים להפסיק הישנות בתוך החודש הראשון ^10. לרוע המזל, ישנם כמה טיפולים זמינים כדי לסייע בהפסקת עישון ו / או להפחית את התלות בניקוטין. במעבדה שלנו, אנו מעוניינים בשימוש בבדיקת PET להבין התמכרות ותלות במטרה לסייע בפיתוח של תרופות חדשות להפסקת עישון ונטילת תרופות אחרת.

העלייה המהירה של דופמין בסטריאטום הוא האמין כדי לקודד את האחריות ממכרת של סמים והתנהגויות ¹¹ והחזר המהיר של דופמין לנקודת התחלה עשוי להיות קשורה לנסיגה וסמים שוחר שלאחר מכן. לכמה חומרים והתנהגויות כמו עישון סיגריות ממכרים, הגובה של דופמין striatal הוא קצר מועד מאוד (דקות); הגודל דואר של העלייה הוא לא גדול (1-2X בסיסי), וההיקף המרחבי של תגובות אלה עשויים להיות מוגבל לקטנים תת אזורים של סטריאטום.

ניסויים בבעלי החיים מראים בבירור כי ניקוטין גורם לשחרור דופמין בגרעין הנסמך של ¹² חולדות. אבל הניסיונות ראשונים בשימוש ב- ניתוחים קונבנציונליים - כדי להעריך שינויי דופמין בבני האדם במהלך או בעקבות ניקוטין או עישון הניבו תוצאות לא אמינות וסותרות ^13-18. חלק ממחקרים אלה אפשרו למעשנים לעשן בחוץ הסורק. אחרים נמסרו רק ניקוטין לנושא. להתמכרות לסיגריות מחקר הטובה ביותר, אנחנו יצאנו לפתח פרוטוקולי הדמיה טובים יותר ולהשלים אותם עם ניתוחים מתקדמים שיאפשר לנו לתפוס את התגובה של המוח להתנהגות עישון מעי טבעית.

טומוגרפיה פליטת פוזיטרונים (PET) היא ייחודית בין טכניקות סריקת מוח ביכולתה לחקור את הכימיה של המוח ושל המוח האנושי < em> in vivo. קליעים נותבים PET רבים קיימים כדי לעקוב אחר קולטני דופאמין ורבים מהם רגישים לתחרות עם דופמין אנדוגני. למרבה הצער, בשיטות המקובלות של ניתוח תמונת PET להעריך את היחס של המצב היציב חייבים נותב חופשי, המכונה פוטנציאל מחייב (מקביל לשיטות מבחנה), מתמונות חיות מחמד דינמיות. שינוי ניכר ביחס המצב היציב (למשל, מנקודת ההתחלה למצב העישון) הוא נלקח כדי לציין שינוי דופמין. אך שינויי דופמין הרלוונטיים להתמכרות הם מטבעם חולפים ולכן ההערכות של כמות מצב יציב הן פגומות. יתר על כן, את ממוצעי ניתוח לאזור של הריבית הטיפוסיות הריכוז נותב על פני אזורים מבחינה אנטומית, שהוגדרו גדולים והוא צפוי להחמיץ את תגובות מוח מקומיות מאוד - כמו אלה שאנו מצפים מעישון סיגריות. מחקרי PET קודמים של עישון אולי גם סבלו מתנועה של ראשיהם של המעשנים בעת העישון בסורק.

jove_content "> MRI התפקודי (fMRI) מציע רזולוציה מרחב ובזמן הדרושה שיהיה צורך ללכוד אירועים המתרחשים בתת אזורים של סטריאטום בזמן בקנה מידת דקות אבל fMRI חסר הייחוד המולקולרי של PET. אות BOLD נובעת מ . שינויים בזרימת דם ולכן הוא neuronally ומולקולרית ספציפי לפיכך, אנו מנוצלים PET - אבל בדרך חדשה המטרה של פרוטוקול זה הייתה להעריך את תגובות דופמין הקצרות ומקומיות לעישון משום שהם האמינו ביסוד הביטוי של neurochemical. השתוקקות והתנהגות סמים מחפשים.

להעריך ארעיים דופמין שהם כבשו בתמונות חיות מחמד דינמיות שנעשו עם ligands דופמין רצפטור, הצגנו שורה של דגמים קינטיים, תכונה "ntPET" למוליך העצבי PET ^1,5,6,19, שהיו מבוססות על העבר מודל תא שתי רקמות קונבנציונלית אך בתוספת תנאים לזמן הווריאציה בהצהרת העקרונותאמין והאינטראקציה בין דופמין ונותב (כלומר תחרות). מודלים אלה אומתו כנגד תקן זהב. באופן ספציפי, יש לנו הראינו כי המודלים שלנו לחזות ריכוזי הדופמין לאורך זמן מנתוני מחמד בחולדות שנמצאות בהסכם טוב עם מדידות microdialysis נרכשו בו זמנית ^4,7 יתרונות:. האחרון של המודלים שלנו היו גם ליניארי ולא פרמטרית (NP -NtPET) ¹ או ליניארית ופרמטרים (LP-ntPET) ^7. המודל השני נובע ממודל ליניארי קודם לכן הוצג על ידי אלפרט ואח'. ^20. ינאריזציה היא פיתוח מפתח משום שהוא מבטיח כי יישום מודלים לנתונים דינמיים ברמת voxel הוא המחשוב פשוט. במאמר שהוכחה של קונספט האחרון, היינו מסוגל ליצור סרטי דופאמין של הסובייקט אנושי בביצוע משימת מנוע ³ ולהראות שאת הסרטים היו רגישים לתזמון של המשימה המוטורית כפי שניתן היה לצפות. Movies הם ייצוגים של מהלך הזמן של רמות הדופמין בכל voxel בתמונה. שיטות voxel-by-voxel ב PET בדרך כלל סובלות מאות נמוכה יחס רעש, ולכן כדי למזער את הרעש הגלום בעקומות בזמן פעילות מבוססות voxel (TACs), אנחנו מיישמים את מסנן חדשני מרחבית, 'HYPR', ⁸ כמראש עיבוד צעד. צעד זה שומר על מאפיינים זמניים מפתח של voxels להגיב תוך הפחתת רעש.

עישון הוא יותר מאספקת ניקוטין. סיגריות מכילות 4,000 כימיקלים בנוסף לניקוטין. בעוד הוא חשב ניקוטין להיות אחראי בעיקר על ההשפעות הראשוניות הממכרות, כל רמזים אחרים והרכיבים חושיים של עישון הופך חיזוק למעשן רגיל. אנחנו בחרנו ללמוד את כל ההתנהגות של עישון ופירוש דבר שאנחנו צריכים להיות מסוגלים מעשנים לעשן בזמן תמונה בתוך סורק PET. למרבה הצער, עם עישון מגיע תנועת ראש. לחסל את חפצי תנועת ראש בתמונות שלנו, אנו משתמשים בmotio Vicraמערכת N-מעקב (NDI מערכות, ווטרלו, קנדה) ותיקון תנועת אירוע אחר אירוע, כחלק מאיטרטיבי, רזולוציה אלגוריתם שחזור ²¹ התאוששות.

שיטות הסריקה וניתוח החדשות שלנו נועדו לעורר וללכוד ארעיים דופמין קצר ומקומי, כי הם את החתימות הייחודיות של תגובת המוח לסמים ולהתמכרות. ביצע voxel-by-voxel, המודלים שלנו לייצר סדרה של תמונות דינמיות של תנודות דופמין striatal - "סרטים", כלומר דופמין. סרטים אלה מייצגים סמן ביולוגי מרחב ובזמן חדש של התמכרות ויכולים לשמש כמדד ישיר, רב ממדים של סיכון להתמכרות ו / או אינדיקציה ליעילות טיפול.

Protocol

קווי המתאר של ההליך כולו, כמתואר להלן, להפקת סרטי דופמין רב פרוס מסוכם בתרשים הזרימה באיור 1.

1. טרום PET MR סריקה

   לרכוש סריקת MR מבנית ביום נפרד מסריקת PET. MR הסריקה תספק התייחסות אנטומית לתמונות חיות המחמד. פרמטרים לרכישה אופייניות עבור MRI המבני הם: רצף 3D MPRAGE MR דופק עם TE = 3.3 אלפיות שני, זווית להעיף = 7 מעלות; עובי פרוס = 1.0 מ"מ, 0.98 0.98 מ"מ x פיקסלים.

   1. PET עיסוק / מושב עישון

      לארגן את הנושא לתרגל תנועת העישון בסורק PET או לפני הסריקה או, באופן אידיאלי, בביקור קודם לכן למרכז PET. זה ימנע בלבול או אי נוחות במהלך סריקת PET בפועל. זה יהיה גם למנוע את החידוש של להיות בסורק בפעם הראשונה. בגלל HRRT סימנס הוא סורק מוח ברזולוציה גבוה, היא המנהרה צרהויש אישור מינימאלי למעשן להביא את הסיגריה שלו / של פיה. למרות שיש לנו מערכת מתוחכמת לטיפול בתנועה בראש, זה עדיין רצוי שיהיה בפועל עישון המעשן בעת ​​שניסה שלא להזיזו / את ראשה.

   2. הכנת מטופל
      1. הקו הרביעי

         IV חייב להיות מוכנס על ידי אחות מוסמכת והכין עבור קובץ מצורף בהמשך למשאבה המספקת נותב. נותב יהיה להזריק לחולה דרך קו רביעי.

      2. ראש התנועה Monitor

         התחומים רעיוני להצמיד לחלקו העליון של ראשו של הנושא. של מערכת ראש מעקב Vicra לייזרי סקר עמדת התחומים רעיוני בשיעור של 20 הרץ. הספירות מחוברות, "כלי" בצורת צלב נוקשה והכלי מחובר לכובע שחיית לייקרה משוחק על ידי הנושא. תצוגה בזמן אמת של המיקום של הכלי צריכה להיות בשימוש על ידי אנשי המחקר כדי לפקח על תנועת ראש ולוודא כי syste לייזר יש מ 'מבט פתוח של הכלי והוא מקליט את עמדת הראש ללא הרף לשימוש מאוחר יותר בשחזור תמונה.

   3. הכן את משאבת הזרקה
      1. התכנית עם משאבת עירוי הפרדיגמה ראויה לraclopride כדי למקסם את הרגישות של תמונות חיית המחמד לתנודות דופמין ברחבי הסריקה, לנהל מעקב, ¹¹ C-raclopride, כמו בולוס ראשוני ואחריו עירוי קבוע. כדי לקבוע את הכמויות היחסיות ראויות נותב להיות מועברות בבולוס הראשוני לעומת העירוי, אנו עוקבים אחר השיטה של קרסון ואח'. ²² כדי לחשב את היחס בין המנה בבולוס לקצב עירוי ("Kbol" ביחידות של דקות ) נתן את הידע של פונקצית התגובה להלם של ¹¹ C-raclopride בבני אדם. המסירה של נותב על פי פרוטוקול ניתנו נשלטת על ידי תוכנת מחשב בבית שמניעה את משאבת עירוי לתכנות.
   4. התחל מסנן אווירt "> כדי למנוע עישון פסיבי מחבילת PET במהלך העישון, עמדת צריכת אוויר מסנן (Movex Inc, נורת'המפטון, הרשות הפלסטינית) מול הסורק ומעל לראשו של נבדק. השאר מקום לנושא כדי להביא הסיגריה שלו / של פיה במהלך עישון. המסנן מופעל לפני המחקר, והוא משמש בכל התנאים אם סריקות מרובות מבוצעות.

   5. שידור סריקה

      לרכוש דקות שידור 9 לסרוק לפני הזריקה של נותב ורכישה של סריקת PET. השידור רכש כדי ליצור מפת 3D של מקדם הנחתה ליניארית בכל המוח. מפת הנחתה משמשת בבנייה מחדש של פליטה (PET) תמונות.

2. סריקת PET
   1. התחל הזרקה וסריקת PET

      טכנולוג רפואה גרעיני מוסמך חייב לנהל מעקב. באופן כללי, צוות של שני אנשי טכנולוגיה יוזם נותב ניהול ורכישת PET נתונים בו זמנית ly.

   2. סולמות דירוג בזמן של עישון

      לנהל שאלונים פשוטים, דרך הפה, לנושא מייד לפני ובא עישון. המעשן חייב לדרג אותו / אותה הכמיהה, שביעות רצון של השתוקקות, גבוה ניקוטין, ותחושות של דחייה בסולם של 1-100.

   3. עישון

      על מנת ללכוד את תגובת הדופמין לחווית עישון נטורליסטי, להורות למעשן לעשן בקצב שלו, מעשן סיגריות המותג שלו עצמו, והכי חשוב, לבצע את העישון בכוחות עצמו, ולא שיש לי ניקוטין או סיגריה מנוהלת על ידי מחקר כוח אדם. מעשנים - שהיו מתנזר מאז החצות הקודמת - עשן שתי סיגריות ברצף. הם בדרך כלל לוקחים בערך 10 דקות כדי להשלים את שתי הסיגריות.

   4. סולמות דירוג שלאחר העישון (כאמור לעיל).
3. סריקה לאחר PET
   1. השלם לסרוק, לשלוח אותו לשיקום באמצעות נתונים Vicra טוחנות באמצעות> Ontent "אחרי הרכישה הושלמה, לשחזר את נתוני רשימה-mode (שיא כל אירוע ריקבון של אדם עם הזמן ומיקומו) לתוך תמונות פליטה. אלגוריתם השחזור בשימוש במרכז שלנו הוא אלגוריתם איטרטיבי (קרסון, ברקר ואח' . ²¹⁾ שמתקן לתנועה ברמת האירוע תוך שימוש בהקלטות Vicra בתדירות גבוהה. תיקונים לפיזור, הנחתה, מת בזמן, ונורמליזציה, גיאומטריה סורק, ונקודת התפשטות פונקציה כלולים גם באלגוריתם. השיקום מייצר סדרה של תמונות דינמית PET 3D בזמן מסגרות שנבחרו מראש.

   2. MR מראש עיבוד וMR-PET רישום

      משתמש באלגוריתמים סטנדרטיים כדי להסיר את הגולגולת מהנושא של MR תמונת ^23. MR חייב להיות דה גולגולת לפני היישור עם PET כי רוב קליעים נותבים לא נלקחו על ידי הגולגולת.

4. לסנן את נתוני PET הדינמיים עם HYPR

   החל מגרסהשיטת מרחבי סינון, Backprojection מוגבל מאוד (HYPR-LR) לכל התמונות לחיות המחמד באופן מסגרת לפי מסגרת בעקבות עבודתו של כריסטיאן ואח'. ^8,24. הערעור של HYPR-LR הוא שזה מפחית את הרעש במרחב ללא מידע הזמני המשפיל בכל voxel שאנו משתמשים כדי ליצור סרטי דופמין.

5. יישר נתונים PET לתבנית MR

   יישר את חיית המחמד לנתונים MR של הנושא להניב שינוי 1 מטריצה. (זה נעשה בדרך כלל עם תמונה ממוקדם בסריקת PET). נתונים MR הרשמה לתבנית סטנדרטית MR להניב שינוי מטריקס 2. שלב את שינויי 1 ו -2 לרשום את נתוני PET-HYPR המסוננים למרחב התבנית הסטנדרטי. הנתונים נמצאים כעת במרחב האנטומי רגיל עם voxels איזוטרופיים (מ"מ x 2 מ"מ 2 x 2 מ"מ).

6. החל מסכת striatal

   יש Raclopride אות חזקה מספיק לניגוד רקע לשימוש רק בסטריאטום. זהו האזור של המוחכי הוא מעורב בהתמכרות לסמים. בעקבות מרטינז ואח'. ^-25 להחיל מסכה של סטריאטום מראש commissural (סטריאטום הגחון, caudate הגבי, putamen גב) לכל הנתונים לחיות מחמד בשטח תבנית.

7. התקפים של שני מודלים מבוססי voxel
   1. בחר את פונקציות תגובת הדופמין לLP-ntPET

      בחר פונקציות בתגובה, כי הם עולים בקנה אחד עם תגובות דופמין אפשריות לגירוי. על ידי בחירת מערך מסוים של פונקציות בתגובה, אפשר להגביל את הצורה ואת התזמון של תגובות דופמין המוערך עקומות הצפויות לגירוי המסוים שלנו. לעישון, אנו צופים עלייתו ונפילתו של ריכוז דופאמין (עקום בצורה "גמא משתנה") unimodal. במקרה של עישון ב 45 דקות לסריקה, המשפחות של פונקציות תגובה עם זמנים "ההמראה" של 40 דקות (כדי לאפשר לכמה ציפייה), ומאוחר יותר כלולות.

   2. ליישם את מודל LP-ntPET

      Fit mod LP-ntPETאל לTACs חיית מחמד בכל voxel אדם באזור רעול פנים על פי השיטה של Normandin et al. ^7. המשוואה המבצעית של המודל מוצגת באיור 3 א. נפרד מהמוצר של TAC PET עם כל פונקצית תגובה הופכת להיות קבוצה של פונקציות בסיס ליניארי שתורמים למודל (ראה קדנציה אחרונה במשוואה המבצעית). בגלל LP-ntPET הוא שיטה ליניארית, המבוסס על בסיס פונקציה להתאמת נתוני PET הדינמיים, זה יכול להיות מיושם במהירות כדי להעריך שני פרמטרים קינטיים (א) המסדירים את פעולתו של נותב, ו (ב) בזמן פרופיל של דופמין היחסי שינוי הריכוז במהלך פגישת הסריקה, בכל voxel.

      1. צור מפות WSSR

         רשום את הסכום המשוקלל של שאריות בריבוע (WSSR) המפה של ההתקף של LP-ntPET לנתונים בכל voxel (WSSR _LP-ntPET) לשימוש, בהמשך. התאמת המודל בכל voxel מפיקה תמונות של הפרמטרים: ₁ נותב R, K _{2 <}/ תת>, K _2a, וγ. R1 הוא ערך הזרימה היחסי, k ₂ הוא שיעור הזרימה באזור הייחוס, K _2a הוא שיעור הזרימה הנראית לעין באזור היעד, וγ הוא בסדר הגודל של אות דופמין. סכום שאריות בריבוע בכל voxel המשוקלל יכול להיחשב כתמונה גם כן.

   3. ליישם את המודל (קונבנציונלי) Multilinear עיון רקמות (MRTM)

      להתאים את מודל MRTM לאחר ⁹ לנתונים בזמן פעילות חיית המחמד בכל voxel אדם באזור רעול פנים. MRTM הוא מודל ליניארי - בדרך כלל יחול על נתונים PET דינמיים - כלומר זהה לLP-ntPET פרט לכך שהוא חסר טווח דופמין זמן משתנה. MRTM ראוי להערכת נתונים תשואות חכמה voxel של רק שלוש תמונות פרמטריים: ₁ R, K _{2, 2 א} k. רשום את סכום ריבועים של מפת ההתקף של MRTM (WSSR _MRTM) לנתונים בכל voxel כמו גם המשוקלל.

8. חישוב ה-F-מפה

   יצירת ה-F-מפה מהסכום של מפות כיכרות על ידי חישוב ה-F-נתון בכל voxel במסכה. ה-F-נתון משווה את _LP-ntPET WSSR _לMRTM WSSR, תיקון להבדלים בדרגות חופש בהתקפים, בהתאמה.

9. סף ה-F-המפה

   סף ה-F-המפה בשווי שמתרגם את הסתברות של p <0.05 (המבוסס על דרגות חופש בדגם המתאים). הסף הוא זהה בכל voxel. Binarize המפה כדי להפוך את "מסכת משמעות" חדשה ששומרת על אלה voxels רק בסטריאטום TACs PET שהם בכושר (סטטיסטי) יותר טוב עם LP-ntPET מאשר עם MRTM.

10. סנן את מסכת המשמעות

    לבצע "פתיחה" המורפולוגי (שחיקה בעקבות התרחבות) על מסכת המשמעות לחסל אשכולות זעירים, בודדים של voxels כי אנו מניחים כי בשל רעש. 2 X 2 X 2 הקרנל voxel איזוטרופית משמש מחדשלהעביר קבוצות מבודדות של voxels עם קוטר של 2 voxels או קטן יותר. עכשיו יש לנו מסכת משמעות סופית.

11. ליצור סרט 4D דופמין בצבע

    לאחסן את הערך של עקומת דופמין המשוערת מנורמלת על ידי K _2a בכל voxel במסכת Signifcance הסופית. נתונים אלו מהווים "תמונות דופמין מנורמלות" ויהיה 4 ממדים. הם, למעשה, את ערך דופמין היחסי בכל נקודת זמן לכל voxel נמצא יש תגובת דופמין משמעותית לגירוי. ליצור סדרת תמונה בצבעים על ידי החלת טבלת בדיקת צבע לתמונות דופמין המנורמלות. כיסוי את תמונות דופמין צבעוניים שעל תמונת תבנית MR המקבילה. שמור את הסדרה של תמונות בצבעים כקובץ *. PNG. זוהי-פרוסה אחת "סרט דופמין". מסדרים את סרטי דופמין לכל פרוסה מכילה סטריאטום הגחון לתוך סרט אחד. הסדר זה הוא סרט דופמין רב פרוסה.

12. לנתח את נתוני עישון ושליטת נתונים similarly

    לבצע את אותו הניתוח בנתונים מכל תנאי ניסוי לבדיקה. עבור פרויקט זה, שרכשנו וניתח נתונים לכל נושא בשני תנאים נפרדים: עישון וביקורת (ללא עישון).

13. השווה עישון לשלוט על ידי בניית סרט מורכב דופמין

    לייצר סרטי דופמין לאותו הנושא בתנאים שונים, כגון בסיס או אחיזת עיניים משימה לעומת עישון. לייצר "דופמין סרט משולב" לנושא אחד לכל פרוסות סטריאטום לתחילת מחקר ובעישון.

14. הפעל את הסרט

    לשחק את "סרט דופמין רב פרוסה" (שמוצג בתוצאות) כדי לחשוף דפוסי מרחב ובזמן המרכיבים תגובת דופאמין הייחודית של המוח לעישון סיגריות.

תוצאות

איור 2. את ההשפעות של שני מסננים מרחביים שונים HYPR על החלקה את הנתונים בזמן הפעילות בvoxel striatal יחידה. בשורה עליונה: ¹¹ תמונות פליטת PET C-raclopride ממסגרת 3 דקות מרוכזת ב 46.5 דקות (לא מסונן, מסונן עם 3 X 3 X 3 voxel ליבה, מסוננת על ידי 5 X 5 X 5 voxel ליבה). בשורה אמצעית: ¹¹ תמונות פליטת PET C-raclopride ממסגרת 3 דקות מרוכזת בדקות 61.5 (לא מסונן, מסונן עם 3 X 3 X 3 voxel ליבה, מסוננת על ידי 5 X 5 X 5 הקרנל voxel). בשורה תחתונה: עקומות פעילות בזמן מתאימות מאותו מיקום voxel היחיד בcaudate הגבי שמאל. שים לב שהטבילה לכאורה בספיגת C-raclopride ¹¹ (עקב השחרור של דופאמין) בעת העישון נשמרה למרות הרעש הוא פחתה עם מסנן גודל גדול יותר.

איור 3. מבחר פונקציות תגובת הדופמין יציג שהיו מראש computed להרכבת דגם LP-ntPET לנתונים בזמן פעילות חיית המחמד בכל voxel פי Normandin et al. ^7. במקרה שלנו הפרדיגמה העישון, עישון סיגריות מתחיל 45 דקות לאחר ההזרקה נותב מתחילה. גם אם תגובות דופמין striatal לקודד ציפייה של עישון - למשל, עקב טיפול של הסיגריה או רמזים אחרים שמנבאות עישון - אנחנו מנומקים שפונקציות התגובה יכולה להיות מוגבלות בבטחה לעקומות שממריאות מנקודת ההתחלה לא לפני 5 דקות לפני העישון (א). בדומה לכך, העקומות היו מוגבלות להמראת זמנים לא יאוחר מ 15 דקות לאחר תחילת העישון. עקומות עם ההמראה פעמים ב 40 דקות מייצגות תגובות דופאמין אפשריות בשל ציפייה (ב) פונקציות תגובת נציג כל שהמריאו מבסיס ב45 דקות;. הזמן שבו מתחיל לעשן. 500 פונקציות תגובה מתקבלות על דעת שונות שנוצרו. לצורך ההמחשה, מגרשים ב<חזק> (א) ו (ב) להציג רק דגימה של צורות עקומה וזמני ההמראה.

איור 4. (א) משוואה המבצעית עבור דגם LP-ntPET. המודל הוא ליניארי בפרמטרים ₍₁ R, K _2, K _2a, γ) המאפשר חישוב מהיר של אומדני פרמטרים בכל voxel בתוך מסיכת striatal. (ב) תמונות פרמטרית של R _{(1, 2} K, K _2a, γ ) לפרוסת מוח העטרה יחידה לנושא אחד. למרות γ לבד הוא הפרמטר שמקודד את עוצמת תגובת דופמין, אמיד בו זמנית של כל 4 הפרמטרים נותבים יש צורך להתאים את המודל לנתונים בזמן הפעילות בכל voxel.

איור 5. התקפים של הדגמים קונבנציונליים (MRTM) והחדשים (LP-ntPET) לנתונים בזמן הפעילות מvoxel בcaudate השמאל. כושר MRTM הוא בכחול. כושר LP-ntPET הוא באדום.

איור 6. (א) מציג את הסכום המשוקלל של שאריות בריבוע (WSSR) מMRTM ו (ב) מLP-ntPET מתאים לנתונים בכל voxel striatal. את תמונות WSSR שתי המיוצרות מאותם נתונים הן בהשוואה להפקת מפה של ה-F-יחס בכל voxel (כלומר ה-F-מפה), המוצג ב( ג). (ד) F-המפה היא thresholded בp <0.05 כדי לייצר מפת משמעות ינארי (ראה שלב 2.10 לפרוטוקול). לפרקי זמן N, ו4 פרמטרים של מודל LP-ntPET, הסף עבור ה-F-נתון המקביל לרמת הסתברות, p <0.05 (במשך 90 דקות של נתונים זרקו לפח במסגרות 3 דקות, הסף הוא 4.23) (ה ) מפת המשמעות מסוננת עם מסנן המורפולוגי ("פתיחה") כדי לחסל את האשכולות זעירים של voxels שהם סיכוי טובים ביותר כדי לייצג את הרעש. מסכת המשמעות הסופית משמרת האלה voxels בסטריאטום היחיד שTACs הם בכושר טוב יותר (Statistically) על ידי מודל LP-ntPET בניגוד למודל MRTM הקונבנציונלי ובכך הם האמינו מכיל דופאמין תגובה לעישון. סף זה אינו מתקן להשוואות מרובות. במקום זאת, כדי להתגונן מפני ממצאים חיוביים כוזבים, אנו יוצרים מסכות משמעות סופיות למצב שליטה וכן (ראה איור 7 ופרוטוקול שלבים 1.8-1.10).

איור 7. () מראה פרוסת העטרה אחד מסכת המשמעות הסופית למצב העישון בנושא אחד. איור (ב) מציג את מסכת המשמעות הסופית לנושא מקביל ופרוסה במצב הבסיסית. הנוכחות של אשכולות של voxels עודפים במסכה של עישון בניגוד להיעדר כמעט המוחלט של אשכולות במסכה של שליטה תומכת בטענה כי סרטי דופאמין (ראה בהמשך) הם לא רק אירועים מקריים או אירועים הקשורים לרעש ב נתונים. (הערה: פעילות המוזרקת -ד ובכך יחס האות לרעש - בתחילת המחקר ובתנאי עישון היו דומה).

איור 8. הסרט של דופמין פרוסה אחת של מוח בכיוון העטרה מציג את רמת הדופמין מסגרת לפי המסגרת ביחס לרמת בסיס דופמין (מנוחה). (א) מציג את סרטו של התנאי הבסיסי וכן (ב) מציג את הסרט של מצב העישון. את רמות הדופמין מקודדים בצבע. באופן ספציפי, את הצבעים - שמוצג בסרגל הצבע עם ערכים מספריים מתאימים - מייצגים את השינוי בדופמין מעל לרמה הבסיסית כאחוז מבסיס. שוב, את רמות הדופמין מוצגות רק לvoxels במסכת המשמעות הסופית העולה <הרמה מובהקת עמ '0.05.

איור 9. רב פרוס, סרט דופמין רב תנאי לאותו הנושא כמו באיור 8 עם כל פרוסות סטריאטום הגחון מוצג בו זמנית ו או בסיסי ותנאי עישון.

איור 1. תרשים זרימה של ניסוי והליכי ניתוח תמונה (AC). לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 2. השפעות של מסנני HYPR של גודל גרעין שונה על תמונות (עליון והאמצעי) ועל עקומות פעילות זמן (תחתון) בvoxel יחיד. לחצו כאן לצפייה בדמות גדולה.

/ Files/ftp_upload/50358/50358fig3.jpg "/>
איור 3. דוגמאות לפונקציות תגובת הדופמין שהמראה ב( א) 40 דקות או (ב) שלאחר ההזרקה נותב 45 דקות.

איור 4. תמונות שנוצרו על ידי התאמה פרמטרית המשוואה המבצעית LP-ntPET (א) לנתונים לחיות המחמד. (ב) תמונות מתאימות ל4 הפרמטרים של המודל, ₁ R, K _2, K _2a, γ, מוערכות לסטריאטום והראו מעולף על פרוסת MR המקבילה. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

iles/ftp_upload/50358/50358fig5.jpg "/>
איור 5. התקפי MRTM (כחול) וLP-ntPET (אדום) מודלים לנתונים בזמן פעילות מvoxel יחיד.

איור 6. תמונות פרמטרית של WSSR ל() MRTM ו( ב). מפות WSSR בהתאמה LP-ntPET הם בהשוואה ליצירת ה-F-המפה (ג), אשר בתורו thresholded למסכה בינארי (ד) ולאחר מכן מסוננת לייצר מסכת המשמעות הסופית. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 7. השוואה בין מסכות Signifcance סופיות לעישון (א) ושליטה (ב) תנאים לאותו הנושא.

סרט דופמין 8.Single-פרוסת איור לנושא אחד בשליטה ("מנוחה") ותנאי עישון. לחץ כאן לצפייה באיור 8.

סרט דופמין 9.Multi-פרוסת איור לנושא אחד ב( למעלה) ועישון (תחתון) ביקורת ('מנוחה') תנאים. לחץ כאן לצפייה באיור 9.

Discussion

ממצאים בספרות PET על תגובת דופמין לעישון אינם עולים בקנה ^13-18. ייתכנו סיבות רבות לכך. קשיים מתודולוגיים שונים להתעורר עם כל ניסיון עישון סיגריות תמונה. לכל הפחות, יש להתמודד עם ממצא תנועה אפשרי בנתונים, החשיפה לעישון יד שנייה לחוקרים, שינויים צנועים וקצרי מועד בדופמין שגורמים רק שינויים עדינים לספיגה והאצירה של נותב, ¹¹ C-raclopride .

אינדוקציה מלאכותית של תשובה גדולה ומתמשכת של דופמין יכולה להיות אפשרית על ידי מתן זריקת IV של מנה גדולה של ניקוטין. עם זאת, זה יהיה בניגוד למטרות הבסיסיות שלנו ביצירת סרטי דופאמין של עישון סיגריות. הכוונה שלנו הייתה לבחון בזהירות ככל האפשר את תגובת דופאמין לכל ההתנהגות של עישון. במחקר התמכרות, הבחנה חשובה היא בין ממשל פסיבישל תרופות לנושא וממשל עצמי. המטרה שלנו הייתה לתדמית ממשל עצמי - מעשן עישון שלו / שלה מותג המועדף של סיגריה - כדי ללכוד ולאפיין את תגובת דופאמין הקצרה לעישון. ניתוחי PET בדרך כלל להניח שאת ההשפעות של תרופה או אתגר אחר ביחס לחיים ארוכי משך הסריקה. עישון הדמיה הנדרש ובכך חידושים בדוגמנות ובניסויים עם PET.

שלבים קריטיים בפרוטוקול שלנו

הנחייה עישון בסורק

1. כדי תמונת ניהול עצמי (כלומר, עישון) שהיינו צריכים לחסל עישון פסיבי לשביעות רצונם של בריאות הסביבה שלנו ומחלקת בטיחות. הדבר זה הושג באמצעות השימוש במערכת סינון אוויר נייד אשר מושכת את האוויר שמסביב הנושא דרך מסנן HEPA להסיר חומר חלקיקים. היחידה מצוידת במכסת מנוע צריכת בצורת כיפה ברורה שיכול להיות מושפלת על tפניו של הנושא שהוא, אך לא לעכב אותו / אותה המעשנת.
2. עישון גורם לתנועת ראש - גם אם הם מעשנים, הורו להעביר את היד שלהם ולשמור על הראש שלהם עדיין. תנועה במהלך מסגרת זמן אחת מדרדרת את תפקוד נקודת ההתפשטות של הסורק. כלומר, הוא תורם לטשטוש בתמונות. תנועת הראש במהלך הסריקה גם אומרת שהראש הוא בתפקידים שונים במהלך פליטה ושידור. חוסר התאמה זה יכול להוביל לחפצים כאשר סריקת השידור מוחלת לתיקון להנחתה. ראש מערכת מעקב Vicra מטפלת גם בנושאים אלה, והוא נחשב בדרך כלל כדי לייצג את פתרון המדינה-of-the-art לבעית ^26.

מקסם את הרגישות של ¹¹ ספיגת C-raclopride לשינויים קטנים ברמות הדופמין

3. סימולציה העבודה קודמת של הקבוצה שלנו מצביעה על כך שהרגישות לשינויים ברמות הדופמין אינה אחידה לכל אורך הסריקה אם נותב היא administered באמצעות הזרקת בולוס ^27. מצד השני, בולוס ראשוני של מעקב אחריו עירוי איטי מופיע להשוות באופן משמעותי את הרגישות של נתוני PET לעישון בכל עת במהלך הסריקה.
4. Induced שינויי עישון בדופמין הם קטן יחסית לרעש בנתונים PET עצמם. שיקום Backprojection מוגבל מאוד (HYPR) ^8,24 הוא שיטה פופולרית של החלקה של נתוני ה-fMRI שלאחרונה הוחל PET. טכניקת החלקה המרחבית זו מפחיתה רעש ללא מחיקת המאפיינים הזמניים של הנתונים שאנו מעוניינים בו כלומר, את הסטיות בעקומות בזמן הפעילות המייצגות את התחרות של נותב עם דופמין אנדוגני. העבודה הראשונית שלנו עולה כי ²⁸ יש בחירה אופטימלית של HYPR מסנן שמגדילה את הפער בthresholded F-מפות (כלומר, שונים מספר voxels עודפים ב) בין העישון וקונדיט הבסיסייונים. המסנן האופטימלי (שנבחר לנתונים המוצגים) כנראה תלוי בהתאמה נכונה של גודל הקרנל HYPR לגודל המשוער של אזור ההפעלה (ראה איור 2).
5. Induced שינויי עישון בדופמין הם קצרים. שיטות ניתוח PET קונבנציונליות אינן מתאימות היטב ללכידתו של מוליך עצבי אירועים חולפים ^25,29. יש לנו מאופיינים על החסרונות של ניתוחים קונבנציונליים שונים תוך שימוש במחקרים ונתונים סימולציה אנושי ^30. מסיבות אלה, המעבדה שלנו פיתחה ותוקפת מספר הטכניקות המתמטיות לדוגמנות את ההשפעה של דופמין ארעיים על חיית מחמד של נתוני ^1-7. חדשנות האחרונה על ידי Normandin et al. ⁷ הייתה לlinearize מודל ntPET המקורי שלנו, כך שזה יכול להיות מיושם ברמת voxel. התוצאה של כך היא סרט דופמין כמו אלה שהוצגו במסמך זה. היבטים מרכזיים של השיטות שלנו לאומדן הארעיים דופמין בנתונים PET אומתו previously: בחולדות שעברו PET וmicrodialysis ⁴ בו זמנית ובבני אדם בביצוע משימה הקשה אצבע ^3,4.
6. איזה מבחן סטטיסטי נדרש לבודד שינויי Bonafide בדופמין, להבדיל מאירועים מקריים. אנו בחרנו להשתמש בנתון ה-F-(aka "ה-F-יחס") כדי לזהות את האזורים (כלומר, את voxels) של התמונה שהן סיכוי טובים ביותר מכיל דופמין תגובות לגילוי וכמותיים. ה-F-נתון משמש להשוות את הסכומים של ריבועים של ההתקפים של שני מודלים מקוננים לאותם נתונים בזמן פעילות. במקרה זה, אנו משווים את ההתאמה של מודל קונבנציונלי, נעדר זמן משתנה-דופמין טווח עם מודל LP-ntPET הציג לאחרונה שמכיל טווח תלוי זמן לתנודות דופמין. רק את voxels עבורו ה-F-היחס עולה על סף סטטיסטי נתונה נשמרים בסרט דופמין הסופי.

מגבלות לפרשנות של התוצאה שהוצגה

1. תוצאת המדגם שהוצגה כאן היא, כמובן, לא מחקר מלא. לימוד מעמיק של עישון יהיה כרוך במצב בסיסי, מצב עישון, ומצב עישון דמה לשלוט לשחרור דופמין-Induced תנועה - להבדיל מחפץ תנועה (ראה לעיל). מחקרים אלה הם מתמשך במעבדה שלנו.

   יש לציין שבניית מצב עישון דמה מתאים היא רחוקה מלהיות פשוט. למעשנים, המעשה של הבאת סיגריה כבויה לפיהם בלבד עשוי להיות מתגמל ולכן לשחרר דופמין. לפיכך, שליטה בתנועה, אך לא לציפייה כנראה תהיה תנועה בבימויו מוטורית של מאמץ דומה ותדירות לקיחת שאיפות מסיגריה, אבל לא תנועה שלא הצליח בשום דרך הקשורים לעישון, כגון לחיצת כפתור או אובייקט מניפולציה ידנית .

2. הוא מוכר היטב כי אם מספיק נעשים השוואות, לא יהיה סיכוי שממצאים עולים נתון סטטיסטי דיש ³¹ ישן. ההשוואות שאנו עושים הן בין ההתאמה של המודל הקונבנציונלי וההתאמה של מודל LP-ntPET בכל voxels בסטריאטום. נכון לעכשיו, אנחנו לא מתקנים באופן רשמי להשוואות מרובות ("תיקון Bonferroni" למשל). במקום זאת, יש לנו להחיל את ניתוח סרט דופמין למצב בסיסי, בנוסף למצב עישון. אם הסרט של דופמין של עישון היה פשוט התוצאה של מקרה, היינו מצפה אותה צפיפות של אזורי הפעלה (מספר voxels על סף) בתחילת המחקר כבנתוני עישון. ברור שזה לא המקרה (ראה איור 7).
3. אין ספק, את שחזור של הטכניקה שלנו הוא בעיה הקשורה חשובה. ניתן היה לצפות כי המוח של מעשן צריך להגיב באופן דומה לעישון סיגריה היום או מחר או בשבוע הבא. אנו עוסקים כיום בהערכה את שחזור בדיקה החוזרת של דופמין בסרטים שלנו.

עתידי

jove_content "> אנחנו פיתחו מודל חדש של הספיגה נותב PET בנוכחות של תנודות לטווח קצרים ברמת הנוירוטרנסמיטר אנדוגני. כי המודל הוא ליניארי בפרמטרים, זה יכול להיות מחושב במהירות ובקלות בvoxels רבים. נקודת הסיום של כזה ראוי מודל לנתונים PET על בסיס voxel-by-voxel הוא "סרט". למחקרים עם קולטן נותב D2, ¹¹ C-raclopride, נקודת הסיום הוא סרט דופמין. דופמין הוא מוליך עצבי המרכזיים המעורבים בעיבוד של המוח של גירויים מתגמלים שמוביל להתמכרות. בגלל שחלק מגירויים (בעיקר סיגריות ואלכוהול) לייצר דופמין שינויים קלים בלבד וכנראה קצר מועד, ייתכן שיש בסרטים שלהם הפוטנציאל הגדול ביותר לחקר השימוש לרעה בשני גירויים אלה. אם אנחנו יכולים להשתמש שלנו סרטי דופמין לזהות דפוסי מרחב ובזמן של שחרור דופאמין שמעידים על תלות או סיכון להתעללות, ואחר כך את הדפוסים הללו יכולים לשמש כסמנים של מחלה, סיכון למחלה, ו- בהנחה שהדפוסים הם הפיכים - מדדים של (תרופתי או קוגניטיבי) יעילות טיפול.

אין שום דבר על הסרטים שלנו, שמגביל אותם למערכת הדופאמין. כל מה שצריך הוא PET נותב ליעד של עניין כי הוא רגיש (כלומר, בקלות על ידי displaceable) תנודות ביגנד אנדוגני לאותו היעד. נכון להיום, יש כבר עצירת התקדמות לזהות קליעים נותבים, כי הם אמין PET רגישים לנוירוטרנסמיטרים אנדוגניים אחרים מאשר דופמין. סקירה של ספרות סרוטונין בשנת 2010, למשל, ציירה תמונה של התפכחות היכולת המוגבלת הנוכחית שלנו כדי לזהות שחרור סרוטונין עם PET ^32. לאחרונה, היו כמה התפתחויות מעודדות. מספר הפרסומים דיווחו רגישות של קליעים נותבים סרוטונין לגבהים בסרוטונין אנדוגני בפרימטים שאינם בני אדם, אלא ^33-36 תחום מחכה הפגנות דומות בבני אדם. כפי שכבר דנו במקום אחר ^{37, רגישות לשינויים בריכוז מוליך עצבי אנדוגני להיראות מורכבת משיעור אופטימלי של עקירה מהקולט בשילוב עם הקלות של זרימה של נותב מרקמות לדם. ברגע שאומת ligands סרוטונין והראה את נכסים כאלה, ולאחר מכן סרטי הסרוטונין יהיו אפשרי גם.}

נכון להיום, מחקרי PET ביותר עם קולט קליעים נותבים להוביל לדור של תמונות פרמטריים. תמונה פרמטרית היא מפה של פרמטר המוערך בכל voxel באובייקט (כלומר, המוח) מודל הקינטית נותב נתון. יישום מודלים קונבנציונליים כגון SRTM ^38,39 או אחד או שתיים רקמת תא מודל מניב תמונות פרמטריים של הר"י, פרמטר הזרימה האזורי, או BP, את הערך הפוטנציאלי מחייב אזורי. שני פרמטרים אלה הם קבועים פיסיולוגיים, כי הם האמינו כדי לייצג את התהליכים שנמצאים במצב יציב. לפעמים, לעומת זאת, במערכת ו / או בתהליך של interested הם לא יציב. כלומר, הם ארעיים. כזה הוא המקרה עם התגובה הקצרה של דופמין לעישון סיגריות. בנסיבות כאלה, לא ניתן לאפיין דופמין החולף עם תמונה פרמטרית אחת. זה גם לא מתאים למודל את הנתונים עם מודל שהוא אך ורק בזמן בלתי משתנה בפרמטרים. יש צורך במודל עם טווח הזמן משתנה, כדי לתאר את שינויי ריכוז הדופמין בסטריאטום בתגובה לעישון. התפוקה הטבעית של מודל כזה בעת שימוש עם נותב דופמין, היא סרט של דופמין. זוהי צורה חדשה של פלט תמונה תפקודי שצפויים לדרבן ודורשים צורות חדשות של ניתוח על מנת למקסם את התועלת שלו.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vicra	NDI Systems, Waterloo, Canada
HRRT	Siemens
Air Filter	Movex, Inc, Northampton, PA	LFK 175	With extractor and clear hood
11C-raclopride			prepared at Yale PET Center from O-Desmethyl precursor
O-Desmethylraclopride	ABX advanced biochemical compounds, Radeberg, Germany	Product #1510	Precursor of 11C-raclopride
Table 1. Materials used.