Acquisizione dati standardizzata per la risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della Substantia Nigra

Riepilogo

Questo protocollo mostra come acquisire dati di risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina della substantia nigra.

Abstract

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana (ad esempio, ricompensa l'apprendimento e l'incertezza) e disturbi neuropsichiatrici (ad esempio, morbo di Parkinson e schizofrenia). La neuromelanina è un sottoprodotto della sintesi della dopamina che si accumula nei neuroni dopaminergici della substantia nigra. La risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina (NM-MRI) è un metodo non invasivo per misurare la neuromelanina in quei neuroni dopaminergici, fornendo una misura diretta della perdita di cellule dopaminergiche nella substantia nigra e una misura proxy della funzione della dopamina. Sebbene la risonanza magnetica NM abbia dimostrato di essere utile per lo studio di vari disturbi neuropsichiatrici, è sfidata da un campo visivo limitato nella direzione inferiore-superiore con conseguente potenziale perdita di dati dall'esclusione accidentale di parte della substantia nigra. Inoltre, nel campo manca un protocollo standardizzato per l'acquisizione dei dati NM-MRI, un passo fondamentale per facilitare studi multisito su larga scala e la traduzione in clinica. Questo protocollo descrive una procedura passo-passo di posizionamento del volume NM-MRI e controlli di qualità online per garantire l'acquisizione di dati di buona qualità che coprono l'intera substantia nigra.

Introduzione

La neuromelanina (NM) è un pigmento scuro presente nei neuroni dopaminergici della substantia nigra (SN) e nei neuroni noradrenergici del locus coeruleus (LC)^1,2. La NM è sintetizzata dall'ossidazione ferro-dipendente della dopamina citosolica e della noradrenalina ed è immagazzinata in vacuoli autofagici nel soma³. Appare per la prima volta nell'uomo intorno ai 2-3 anni di età e si accumula con l'età ^{di 1,4,5} anni.

All'interno dei vacuoli contenenti NM dei neuroni SN e LC, la NM forma complessi con il ferro. Questi complessi NM-ferro sono paramagnetici, consentendo la visualizzazione non invasiva della NM utilizzando la risonanza magnetica (MRI)^6,7. Le scansioni MRI in grado di visualizzare la NM sono note come MRI NM-SENSITIVE (NM-MRI) e utilizzano effetti di trasferimento di magnetizzazione diretti o indiretti per fornire contrasto tra regioni con alta concentrazione di NM (ad esempio, SN) e la sostanza bianca circostante ^8,9.

Il contrasto di trasferimento di magnetizzazione è il risultato dell'interazione tra protoni d'acqua legati macromolecolari (che sono saturi dagli impulsi di trasferimento della magnetizzazione) e i protoni di acqua libera circostanti. Nella NM-MRI, si ritiene che la natura paramagnetica dei complessi NM-ferro accorci il T₁ dei protoni di acqua libera circostanti, con conseguente riduzione degli effetti di magnetizzazione-trasferimento in modo che le regioni con maggiore concentrazione di NM appaiano iperintense sulle scansioni NM-MRI¹⁰. Al contrario, la sostanza bianca che circonda il SN ha un alto contenuto macromolecolare, con conseguenti grandi effetti di trasferimento della magnetizzazione in modo che queste regioni appaiano ipointense sulle scansioni NM-MRI, fornendo così un elevato contrasto tra il SN e la sostanza bianca circostante.

Nel SN, NM-MRI può fornire un marker di perdita di cellule dopaminergiche¹¹ e funzione del sistema dopaminergico¹². Questi due processi sono rilevanti per diversi disturbi neuropsichiatrici e sono supportati da un vasto corpus di lavori clinici e preclinici. Ad esempio, anomalie nella funzione della dopamina sono state ampiamente osservate nella schizofrenia; studi in vivo che utilizzano la tomografia ad emissione di positroni (PET) hanno mostrato un aumento del rilascio di dopamina striatale 13,14,15,16 e un aumento della capacità di sintesi della dopamina 17,18,19,20,21,22 . Inoltre, studi post-mortem hanno dimostrato che i pazienti con schizofrenia hanno aumentato i livelli di tirosina idrossilasi - l'enzima limitante la velocità coinvolto nella sintesi della dopamina - nei gangli della base²³ e SN^24,25.

Diversi studi hanno studiato i modelli di perdita di cellule dopaminergiche, in particolare nella malattia di Parkinson. Studi post-mortem hanno rivelato che i neuroni dopaminergici pigmentati del SN sono il sito primario della neurodegenerazione nella malattia di Parkinson 26,27 e che, mentre la perdita di cellule SN nella malattia di Parkinson non è correlata con la perdita di cellule nel normale invecchiamento^28, è correlata con la durata della malattia ²⁹ . A differenza della maggior parte dei metodi per studiare il sistema dopaminergico, la non invasività, l'economicità e la mancanza di radiazioni ionizzanti rendono la NM-MRI un biomarcatore versatile³⁰.

Il protocollo NM-MRI descritto in questo articolo è stato sviluppato per aumentare sia la riproducibilità all'interno del soggetto che quella trasversale della NM-MRI. Questo protocollo garantisce una copertura completa del SN nonostante la copertura limitata delle scansioni NM-MRI nella direzione inferiore-superiore. Il protocollo utilizza immagini sagittali, coronali e assiali tridimensionali (3D) pesate in T1 (T1w) e i passaggi devono essere seguiti per ottenere il corretto posizionamento dello stack di sezioni. Il protocollo delineato in questo documento è stato utilizzato in più studi^31,32 ed è stato ampiamente testato. Wengler et al. hanno completato uno studio sull'affidabilità di questo protocollo in cui le immagini NM-MRI sono state acquisite due volte in ciascun partecipante in più giorni³². I coefficienti di correlazione intra-classe hanno dimostrato un'eccellente affidabilità test-retest di questo metodo per le analisi basate sulla regione di interesse (ROI) e voxelwise, nonché un elevato contrasto nelle immagini.

Protocollo

NOTA: La ricerca condotta per sviluppare questo protocollo è stata eseguita in conformità con le linee guida del New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655). Un soggetto è stato scansionato per la registrazione del video del protocollo ed è stato ottenuto il consenso informato scritto. Fare riferimento alla Tabella dei materiali per informazioni dettagliate sullo scanner MRI utilizzato in questo protocollo.

1. Parametri di acquisizione MRI

1. Prepararsi ad acquisire immagini T1w ad alta risoluzione utilizzando una sequenza di eco a gradiente di acquisizione rapida preparata con magnetizzazione 3D (MPRAGE) con i seguenti parametri: risoluzione spaziale = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm³; campo visivo (FOV) = 176 x 240 x 240 mm³; tempo di eco (TE) = 3,43 ms; tempo di ripetizione (TR) = 2462 ms; tempo di inversione (TI) = 1060 ms; angolo di rotazione = 8°; fattore di imaging parallelo nel piano (ARC) = 2; fattore di imaging parallelo (ARC) sul piano passante = 2³³; larghezza di banda = 208 Hz/pixel; Tempo totale di acquisizione = 6 min 39 s.
2. Prepararsi ad acquisire immagini NM-MRI utilizzando una sequenza di eco richiamata con gradiente bidimensionale (2D) con contrasto di trasferimento di magnetizzazione (2D GRE-MTC) con i seguenti parametri: risoluzione = 0,43 x 0,43 mm²; FOV = 220 x 220 mm²; spessore fetta = 1,5 mm; 20 fette; spazio tra fette = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; angolo di rotazione = 40°; larghezza di banda = 122 Hz/pixel; Offset di frequenza MT = 1,2 kHz; Durata dell'impulso MT = 8 ms; Angolo di rotazione MT = 670°; numero di medie = 5; Tempo totale di acquisizione = 10 min 4 s.
   NOTA: Sebbene i risultati visualizzati utilizzino questi parametri di acquisizione MRI, questo protocollo è valido per vari protocolli di imaging T1w e NM-MRI. Il protocollo NM-MRI dovrebbe coprire ~ 25 mm nella direzione inferiore-superiore per garantire una copertura completa del SN.

2. Posizionamento del volume NM-MRI

1. Acquisire un'immagine T1w ad alta risoluzione (dimensione voxel isotropa ≤1 mm). Utilizza la riformattazione online subito dopo l'acquisizione delle immagini per creare immagini T1w ad alta risoluzione allineate alla linea di commissura-commusura posteriore anteriore (AC-PC) e alla linea mediana.
   1. Eseguire la riformattazione online utilizzando il software fornito dal fornitore (ad esempio, se si acquisiscono dati su uno scanner GE: MultiPlanar Reconstruction (MPR) in Planning; se si acquisiscono dati su uno scanner Siemens: MPR nella scheda attività 3D; se si acquisiscono dati su uno scanner Philips: MPR nella modalità di rendering del pacchetto VolumeView).
      1. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano assiale perpendicolare alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
      2. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano coronale perpendicolare alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
      3. Crea ricostruzioni multiplanari dell'immagine 3D T1w nel piano sagittale parallelo alla linea AC-PC per coprire l'intero cervello con uno slice-gap minimo.
2. Caricate le viste sagittale, coronale e assiale dell'immagine T1w riformattata ad alta risoluzione e assicuratevi che siano presenti linee di riferimento che rappresentano la posizione di ciascuna sezione visualizzata.
3. Identificare l'immagine sagittale che mostra la più grande separazione tra il mesencefalo e il talamo (Figura 1A). Per fare ciò, ispezionare visivamente le sezioni sagittali dell'immagine T1w riformattata fino a identificare la fetta che mostra questa separazione maggiore.
4. Utilizzando l'immagine sagittale alla fine del passaggio 2.3, identificare visivamente il piano coronale che delinea l'aspetto più anteriore del mesencefalo (Figura 1B).
5. Utilizzando l'immagine coronale dalla fine del passaggio 2.4, identificare visivamente il piano assiale che delinea l'aspetto inferiore del terzo ventricolo (Figura 1C).
6. Nell'immagine sagittale alla fine del passaggio 2.3, allineare il limite superiore del volume NM-MRI al piano assiale identificato nel punto 2.5 (Figura 1D).
7. Spostare il limite superiore del volume NM-MRI di 3 mm nella direzione superiore (Figura 1E).
8. Allineare il volume NM-MRI alla linea mediana nelle immagini assiale e coronale (Figura 1F).
9. Acquisire le immagini NM-MRI.

Figura 1: Immagini che mostrano la procedura passo-passo di posizionamento del volume NM-MRI. Le linee gialle indicano la posizione delle sezioni utilizzate per il posizionamento del volume come descritto nel protocollo. (A) In primo luogo, viene identificata l'immagine sagittale con la maggiore separazione tra il mesencefalo e il talamo (fase 2.3 del protocollo). (B) In secondo luogo, utilizzando l'immagine da A, viene identificato il piano coronale che delinea l'aspetto più anteriore del mesencefalo (passo 2.4). (C) In terzo luogo, sull'immagine coronale dal piano identificato in B, viene identificato il piano assiale che delinea l'aspetto inferiore del terzo ventricolo (passo 2.5). (D) In quarto luogo, il piano assiale identificato in C viene visualizzato sull'immagine sagittale da A (passo 2.6). (E) In quinto luogo, il piano assiale da D è spostato di 3 mm nella direzione superiore e questo piano indica il limite superiore del volume NM-MRI (passo 2.7). (F) Il posizionamento finale del volume NM-MRI in cui l'immagine coronale corrisponde a C, l'immagine sagittale corrisponde ad A e l'immagine assiale corrisponde al piano assiale in E. Il volume NM-MRI è allineato alla linea mediana del cervello nelle immagini coronali e assiali e alla linea AC-PC nell'immagine sagittale (passo 2.8). Parte di questa cifra è stata ristampata con il permesso di Elsevier da ³⁰. Abbreviazioni: NM-MRI = neuromelanina-sensibile alla risonanza magnetica; AC-PC = commissura anteriore-posteriore. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

3. Controlli di qualità

1. Assicurarsi che le immagini NM-MRI acquisite coprano l'intero SN e che il SN sia visibile nelle immagini centrali ma non nelle immagini più superiori o più inferiori del volume NM-MRI. In caso contrario (Figura 2), ripetere i passaggi 2.3-2.9 per garantire il corretto posizionamento del volume NM-MRI. Se il partecipante si è spostato in modo significativo dall'acquisizione della scansione T1w ad alta risoluzione, ripetere i passaggi 2.1-2.9.

Figura 2: Esempio di acquisizione NM-MRI che non ha superato il primo controllo di qualità (passo 3.1 del protocollo). Ciascuna delle 20 sezioni NM-MRI visualizzate dalla più inferiore (immagine in alto a sinistra) alla più superiore (immagine in basso a destra); La finestra/livello dell'immagine è stata impostata per esagerare il contrasto tra la substantia nigra e il crus cerebri. Le frecce arancioni nelle sezioni 15-19 mostrano la posizione della substantia nigra in quelle fette. La freccia rossa nella fetta più alta (fetta 20) indica che la substantia nigra è ancora visibile in questa fetta e, quindi, l'acquisizione non supera il controllo di qualità. Abbreviazione: NM-MRI = risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

2. Verificare la presenza di artefatti, in particolare quelli che attraversano il SN e la sostanza bianca circostante, ispezionando visivamente ogni fetta della scansione NM-MRI acquisita.
   1. Cerca bruschi cambiamenti nell'intensità del segnale con uno schema lineare che non rispetta i normali confini anatomici. Ad esempio, questa può apparire come una regione a bassa intensità che è affiancata da due regioni ad alta intensità.
   2. Se l'artefatto è il risultato di vasi sanguigni (Figura 3A), conservare le immagini NM-MRI perché questi artefatti saranno molto probabilmente sempre presenti.
   3. Se gli artefatti sono il risultato del movimento della testa del partecipante (Figura 3B), ricordare al partecipante di rimanere il più fermo possibile e riacquisire le immagini NM-MRI secondo il passaggio 3.2.5.
   4. Se gli artefatti sono ambigui (Figura 3C), riacquisire le immagini NM-MRI secondo il passaggio 3.2.5. Al momento della riacquisizione, se gli artefatti rimangono presenti, procedere con queste immagini in quanto sono probabilmente biologiche piuttosto che il risultato di problemi di acquisizione.
   5. Se le immagini NM-MRI superano il controllo di qualità al punto 3.1, copiare il posizionamento precedente del volume NM-MRI. Se le immagini NM-MRI non superano il controllo di qualità nella fase 3.1, ripetere i passaggi 2.3-2.9 per garantire il corretto posizionamento del volume NM-MRI (o i passaggi 2.1-2.9 se il partecipante si è spostato in modo significativo).

Figura 3: Esempi di acquisizioni NM-MRI che non hanno superato il secondo controllo di qualità (passo 3.2 del protocollo). Per ogni caso viene mostrata una sola fetta rappresentativa. (A) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di un artefatto dei vasi sanguigni (frecce rosse) che è il risultato del vaso sanguigno identificato dalle frecce blu. (B) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di artefatti di movimento (frecce rosse). (C) Un'acquisizione NM-MRI che non supera il controllo di qualità a causa di un artefatto ambiguo (frecce rosse). Abbreviazione: NM-MRI = risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Risultati

La figura 4 mostra i risultati rappresentativi di una partecipante di 28 anni senza disturbi psichiatrici o neurologici. Il protocollo NM-MRI garantisce una copertura completa del SN, ottenuta seguendo la fase 2 del protocollo delineata nella Figura 1, e immagini NM-MRI soddisfacenti seguendo la fase 3 del protocollo. Si può osservare un eccellente contrasto tra la SN e le regioni limitrofe della sostanza bianca con una concentrazione di NM trascurabile (cioè ...

Discussione

Il sistema dopaminergico svolge un ruolo cruciale nella cognizione sana e nei disturbi neuropsichiatrici. Lo sviluppo di metodi non invasivi che possono essere utilizzati per studiare ripetutamente il sistema dopaminergico in vivo è fondamentale per lo sviluppo di biomarcatori clinicamente significativi. Il protocollo qui descritto fornisce istruzioni dettagliate per l'acquisizione di immagini NM-MRI di buona qualità del SN, incluso il posizionamento del volume NM-MRI e controlli di controllo qualità per gara...

Materiali

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