Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
Этот протокол показывает, как получить данные нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии черной субстанции.
Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании (например, обучение вознаграждению и неопределенность) и нервно-психических расстройствах (например, болезнь Паркинсона и шизофрения). Нейромеланин является побочным продуктом синтеза дофамина, который накапливается в дофаминергических нейронах черной субстанции. Нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография (NM-MRI) является неинвазивным методом измерения нейромеланина в этих дофаминергических нейронах, обеспечивая прямую меру потери дофаминергических клеток в черной субстанции и прокси-меру функции дофамина. Хотя было показано, что NM-МРТ полезна для изучения различных нервно-психических расстройств, она оспаривается ограниченным полем зрения в направлении ниже-выше, что приводит к потенциальной потере данных от случайного исключения части черной субстанции. Кроме того, в этой области отсутствует стандартизированный протокол для получения данных НМ-МРТ, что является важным шагом в облегчении крупномасштабных многосайтовых исследований и перевода в клинику. Этот протокол описывает пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI и онлайн-проверки качества для обеспечения получения данных хорошего качества, охватывающих всю черную субстанцию.
Нейромеланин (NM) является темным пигментом, обнаруженным в дофаминергических нейронах черной субстанции (SN) и норадренергических нейронах locus coeruleus (LC)1,2. НМ синтезируется железозависимым окислением цитозольного дофамина и норадреналина и хранится в аутофагических вакуолях в соме3. Впервые он появляется у людей в возрасте около 2-3 лет и накапливается в возрасте 1,4,5 лет.
В NM-содержащих вакуолях нейронов SN и LC NM образует комплексы с железом. Эти комплексы NM-железа являются парамагнитными, что позволяет проводить неинвазивную визуализацию НМ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)6,7. МРТ-сканирование, которое может визуализировать НМ, известно как НМ-чувствительная МРТ (НМ-МРТ) и использует либо прямые, либо косвенные эффекты переноса намагниченности для обеспечения контраста между областями с высокой концентрацией НМ (например, SN) и окружающим белым веществом 8,9.
Контраст переноса намагниченности является результатом взаимодействия между макромолекулярными связанными протонами воды (которые насыщаются импульсами переноса намагниченности) и окружающими протонами свободной воды. В NM-MRI считается, что парамагнитная природа комплексов NM-железа укорачиваетT1 окружающих протонов свободной воды, что приводит к снижению эффектов намагниченности-переноса, так что области с более высокой концентрацией NM кажутся гиперинтенсивными на НМ-МРТ-сканировании10. И наоборот, белое вещество, окружающее SN, имеет высокое макромолекулярное содержание, что приводит к большим эффектам намагниченности-переноса, так что эти области кажутся гипоинтенсными на НМ-МРТ-сканировании, обеспечивая тем самым высокий контраст между SN и окружающим белым веществом.
В SN NM-MRI может обеспечить маркер потери дофаминергических клеток11 и функции12 дофаминовой системы. Эти два процесса актуальны для нескольких нервно-психических расстройств и поддерживаются обширным объемом клинической и доклинической работы. Например, нарушения функции дофамина широко наблюдались при шизофрении; Исследования in vivo с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) показали увеличение стриатального высвобождения дофамина 13,14,15,16 и увеличение способности синтеза дофамина 17,18,19,20,21,22 . Кроме того, посмертные исследования показали, что у пациентов с шизофренией повышен уровень тирозингидроксилазы — фермента, ограничивающего скорость, участвующего в синтезе дофамина — в базальныхганглиях 23 и SN24,25.
В нескольких исследованиях изучались закономерности потери дофаминергических клеток, особенно при болезни Паркинсона. Патологоанатомические исследования показали, что пигментированные дофаминергические нейроны SN являются основным местом нейродегенерации при болезни Паркинсона26,27, и что, хотя потеря клеток SN при болезни Паркинсона не коррелирует с потерей клеток в нормальном возрасте28 лет, она коррелирует с продолжительностью заболевания29 . В отличие от большинства методов исследования дофаминергической системы, неинвазивность, экономическая эффективность и отсутствие ионизирующего излучения делают НМ-МРТ универсальным биомаркером30.
Протокол NM-MRI, описанный в этой статье, был разработан для повышения воспроизводимости NM-MRI как внутри субъекта, так и между субъектами. Этот протокол обеспечивает полное покрытие SN, несмотря на ограниченный охват NM-MRI сканирования в направлении ниже-выше. Протокол использует сагиттальные, корональные и осевые трехмерные (3D) T1-взвешенные (T1w) изображения, и шаги должны быть выполнены для достижения правильного размещения стека срезов. Протокол, изложенный в этой статье, был использован в многочисленных исследованиях31,32 и был тщательно протестирован. Wengler et al. завершили исследование надежности этого протокола, в котором изображения NM-MRI были получены дважды у каждого участника в течение нескольких дней32. Внутриклассовые коэффициенты корреляции продемонстрировали отличную надежность этого метода для анализа интересующих регионов (ROI) и воксельных анализов, а также высокую контрастность изображений.
ПРИМЕЧАНИЕ: Исследование, проведенное для разработки этого протокола, было выполнено в соответствии с руководящими принципами Совета по институциональному обзору Психиатрического института штата Нью-Йорк (IRB #7655). Один субъект был отсканирован для записи видео протокола, и было получено письменное информированное согласие. Обратитесь к Таблице материалов для получения подробной информации о МРТ-сканере, используемом в этом протоколе.
1. Параметры получения МРТ
2. Размещение объема НМ-МРТ
Рисунок 1: Изображения, отображающие пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI. Желтыми линиями обозначено расположение фрагментов, используемых для размещения тома, как описано в протоколе. (А) Во-первых, идентифицируется сагиттальное изображение с наибольшим разделением между средним мозгом и таламусом (этап 2.3 протокола). (B) Во-вторых, используя изображение из A, идентифицируется корональная плоскость, очерчивающая наиболее передний аспект среднего мозга (этап 2.4). (C) В-третьих, на корональном изображении с плоскости, идентифицированной в B, идентифицируется осевая плоскость, очерчивающая нижний аспект третьего желудочка (этап 2.5). (D) В-четвертых, осевая плоскость, идентифицированная в С , отображается на сагиттальном изображении из А (этап 2.6). (E) В-пятых, осевая плоскость от D смещена на 3 мм в верхнем направлении, и эта плоскость указывает на верхнюю границу объема НМ-МРТ (шаг 2.7). (F) Окончательное расположение объема НМ-МРТ, где корональное изображение соответствует С, сагиттальное изображение соответствует А, а осевое изображение соответствует осевой плоскости в Е. Объем NM-MRI выровнен по средней линии мозга на корональном и осевом изображениях и линии AC-PC на сагиттальном изображении (шаг 2.8). Часть этой цифры была перепечатана с разрешения Elsevier от 30. Сокращения: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография; AC-PC = передняя комиссура-задняя комиссура. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
3. Контроль качества
Рисунок 2: Пример приобретения NM-MRI, которое не прошло первую проверку контроля качества (шаг 3.1 протокола). Каждый из 20 срезов NM-MRI отображается от самого низкого (верхнее левое изображение) до самого верхнего (нижнее правое изображение); окно/уровень изображения был настроен на преувеличение контраста между черной субстанцией и crus cerebri. Оранжевые стрелки в ломтиках 15-19 показывают расположение черной субстанции в этих ломтиках. Красная стрелка в самом превосходном срезе (срез 20) показывает, что черная субстанция все еще видна в этом срезе, и, таким образом, приобретение не проходит проверку качества. Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Примеры приобретений НМ-МРТ, которые не прошли вторую проверку контроля качества (этап 3.2 протокола). Для каждого случая отображается только один репрезентативный срез. (A) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефакта кровеносного сосуда (красные стрелки), который является результатом кровеносного сосуда, идентифицированного синими стрелками. (B) Получение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за артефактов движения (красные стрелки). (C) Приобретение NM-MRI, которое не проходит проверку контроля качества из-за неоднозначного артефакта (красные стрелки). Аббревиатура: NM-MRI = нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
На рисунке 4 показаны репрезентативные результаты 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие SN, достигаемое путем выполнения шага 2 протокола, описанного на рисунке 1, и удовлетворитель...
Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании и нервно-психических расстройствах. Разработка неинвазивных методов, которые могут быть использованы для многократного исследования дофаминергической системы in vivo, имеет решающее значение для разработки клини?...
Доктора Хорга и Венглер сообщили, что имеют патенты на анализ и использование визуализации нейромеланина при расстройствах центральной нервной системы (WO2021034770A1, WO2020077098A1), лицензированные Terran Biosciences, но не получили никаких роялти.
Д-р Хорга получил поддержку от NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Д-р Венглер получил поддержку от NIMH (F32-MH125540).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3T Magnetic Resonance Imaging | General Electric | GE SIGNA Premier with 48-channel head coil |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены