Name: standardized data acquisition for neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging of the substantia nigra
Uploaded: 2021-09-08T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra at JoVE.com

Dr. Horga modtog støtte fra NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr. Wengler modtog støtte fra NIMH (F32-MH125540).

BEMÆRK: Den forskning, der blev udført for at udvikle denne protokol, blev udført i overensstemmelse med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board retningslinjer (IRB # 7655). Et emne blev scannet til optagelse af protokolvideoen, og der blev indhentet skriftligt informeret samtykke. Se materialetabellen for detaljer om MR-scanneren, der bruges i denne protokol.
1. Parametre for MR-erhvervelse
<ol><li>Forbered dig på at erhverve T1w-billeder i høj ...

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition og neuropsykiatriske lidelser. Udviklingen af ikke-invasive metoder, der kan bruges til gentagne gange at undersøge det dopaminerge system in vivo , er afgørende for udviklingen af klinisk meningsfulde biomarkører. Protokollen, der er beskrevet her, indeholder trinvise instruktioner til erhvervelse af NM-MR-billeder af SN af god kvalitet, herunder placering af NM-MR-volumen og kvalitetskontrolkontrol for at sikre brugbare data.
<p class="...

Neuromelanin (NM) er et mørkt pigment, der findes i dopaminerge neuroner af substantia nigra (SN) og noradrenerge neuroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseres ved jernafhængig oxidation af cytosolisk dopamin og noradrenalin og opbevares i autofagiske vakuoler i soma3. Det forekommer først hos mennesker omkring 2-3 år og akkumuleres med alderen 1,4,5.
Inden for de NM-holdige vakuoler af SN- og LC-neuroner danner NM komplekser med jern. Disse NM-jernkomplekser er paramagnetiske, hvilket muliggør ikke-invasiv visualisering af NM ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)6,7. MR-scanninger, der kan visualisere NM, er kendt som NM-følsomme MR (NM-MRI) og bruger enten direkte eller indirekte magnetiseringsoverførselseffekter til at give kontrast mellem regioner med høj NM-koncentration (f.eks. SN) og det omgivende hvide stof 8,9.
Magnetiseringsoverførselskontrast er resultatet af interaktionen mellem makromolekylærbundne vandprotoner (som er mættet af magnetiseringsoverførselsimpulserne) og de omgivende frie vandprotoner. I NM-MR menes det, at den paramagnetiske natur af NM-jernkomplekser forkorter T1 af de omgivende frie vandprotoner, hvilket resulterer i reducerede magnetiseringsoverførselseffekter, så regioner med højere NM-koncentration forekommer hyperintense på NM-MR-scanninger10. Omvendt har det hvide stof omkring SN et højt makromolekylært indhold, hvilket resulterer i store magnetiseringsoverførselseffekter, så disse regioner forekommer hypointense på NM-MR-scanninger, hvilket giver høj kontrast mellem SN og omgivende hvidt stof.
I SN kan NM-MR give en markør for dopaminerg celletab11 og dopaminsystemfunktion12. Disse to processer er relevante for flere neuropsykiatriske lidelser og understøttes af en stor mængde klinisk og præklinisk arbejde. For eksempel er abnormiteter i dopaminfunktionen blevet bredt observeret i skizofreni; in vivo-undersøgelser ved hjælp af positronemissionstomografi (PET) har vist øget striatal dopaminfrigivelse 13,14,15,16 og øget dopaminsyntesekapacitet 17,18,19,20,21,22 . Desuden har post mortem-undersøgelser vist, at patienter med skizofreni har øgede niveauer af tyrosinhydroxylase - det hastighedsbegrænsende enzym involveret i dopaminsyntese - i basalganglierne23 og SN24,25.
Flere undersøgelser har undersøgt mønstre af dopaminerg celletab, især i Parkinsons sygdom. Post mortem-undersøgelser har afsløret, at de pigmenterede dopaminerge neuroner i SN er det primære sted for neurodegeneration i Parkinsons sygdom 26,27, og at mens SN-celletab i Parkinsons sygdom ikke er korreleret med celletab i normal aldring28, er det korreleret med sygdommens varighed 29 . I modsætning til de fleste metoder til undersøgelse af det dopaminerge system gør den ikke-invasive, omkostningseffektivitet og mangel på ioniserende stråling NM-MR til en alsidig biomarkør30.
NM-MR-protokollen beskrevet i dette papir blev udviklet til at øge både inden for emnet og på tværs af emner reproducerbarhed af NM-MR. Denne protokol sikrer fuld dækning af SN på trods af den begrænsede dækning af NM-MR-scanninger i den ringere-overlegne retning. Protokollen gør brug af sagittale, koronale og aksiale tredimensionelle (3D) T1-vægtede (T1w) billeder, og trinene skal følges for at opnå korrekt placering af skivestak. Protokollen, der er skitseret i dette papir, er blevet brugt i flere undersøgelser31,32 og blev grundigt testet. Wengler et al. afsluttede en undersøgelse af pålideligheden af denne protokol, hvor NM-MR-billeder blev erhvervet to gange hos hver deltager over flere dage32. Korrelationskoefficienter inden for klassen demonstrerede fremragende test-retest-pålidelighed af denne metode til interesseregion (ROI) -baserede og voxelvise analyser samt høj kontrast i billederne.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>3T Magnetic Resonance Imaging</td>
			<td>General Electric</td>
			<td></td>
			<td>GE SIGNA Premier with 48-channel head coil</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

standardized data acquisition for neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging of the substantia nigra

Det dopaminerge system spiller en afgørende rolle i sund kognition (fx belønningsindlæring og usikkerhed) og neuropsykiatriske lidelser (fx Parkinsons sygdom og skizofreni). Neuromelanin er et biprodukt af dopaminsyntese, der akkumuleres i dopaminerge neuroner af substantia nigra. Neuromelanin-følsom magnetisk resonansbilleddannelse (NM-MRI) er en ikke-invasiv metode til måling af neuromelanin i disse dopaminerge neuroner, hvilket giver et direkte mål for dopaminergisk celletab i substantia nigra og et proxymål for dopaminfunktion. Selvom NM-MR har vist sig at være nyttig til at studere forskellige neuropsykiatriske lidelser, udfordres den af et begrænset synsfelt i den ringere-overlegne retning, hvilket resulterer i det potentielle tab af data fra utilsigtet udelukkelse af en del af substantia nigra. Derudover mangler feltet en standardiseret protokol til erhvervelse af NM-MR-data, et kritisk skridt i at lette store multisite-undersøgelser og oversættelse til klinikken. Denne protokol beskriver en trinvis NM-MR-volumenplaceringsprocedure og online kvalitetskontrol for at sikre erhvervelse af data af god kvalitet, der dækker hele substantia nigra.

Figur 4 viser de repræsentative resultater fra en 28-årig kvindelig deltager uden psykiatriske eller neurologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fuldstændig dækning af SN, opnået ved at følge trin 2 i protokollen beskrevet i figur 1, og tilfredsstillende NM-MR-billeder ved at følge trin 3 i protokollen. Fremragende kontrast mellem SN og nærliggende hvide stofregioner med ubetydelig NM-koncentration (dvs. crus cerebri) kan ses. Disse billeder blev kon...

Watch this Scientific Journal Video about Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra at JoVE.com

Standardized Data Acquisition for Neuromelanin-Sensitive Magnetic Resonance Imaging of the Substantia Nigra

Denne protokol viser, hvordan man erhverver neuromelaninfølsomme magnetiske resonansbilleddata fra substantia nigra.

Standardiseret dataindsamling til neuromelaninfølsom magnetisk resonansbilleddannelse af Substantia nigra

The dopaminergic system plays a crucial role in healthy cognition (e.g., reward learning and uncertainty) and neuropsychiatric disorders (e.g., ...

Protokollen præsenterer den første standardiserede og meget detaljerede trinvise procedure til erhvervelse af neuromelaninfølsom MR. Dette vil gøre det muligt for feltet direkte at sammenligne data på tværs af steder og kombinere prøver for at validere generaliserede biomarkører. Teknikken bruger en detaljeret placeringsprocedure og kvalitetskontrolkontrol for at minimere datatab.Teknikken vil lette store undersøgelser, der er nødvendige for at udvikle og validere biomarkører i neuropsykiatriske lidelser, især til diagnosticering af Parkinsons sygdom. Det er nyttigt at gennemgå de grundlæggende begreber i neuroanatomi, såsom udtryk for forskellige planer og placeringer af hjernen, der gør det muligt for en at orientere sig, mens man undersøger hjernebilleder på scannerkonsollen. Start med at erhverve et T1-vægtet eller T1W-billede med en maksimal en millimeter isotrop voxel-størrelse, der er justeret langs den forreste kommission, bageste kommission eller AC-PC-linje og midterlinjen.Umiddelbart efter erhvervelsen skal du udføre justeringen af T1W-billedet i høj opløsning gennem online omformatering med den kompatible software. Indlæs de sagittale, koronale og aksiale visninger af det AC-PC-justerede T1W-billede, og sørg for, at referencelinjerne, der viser placeringen af hvert vist udsnit, er til stede. Derefter skal du visuelt inspicere sagittalskiverne af det omformaterede billede for at identificere det sagittale billede, der viser den største adskillelse mellem midten af hjernen og thalamus.Brug det sagittale billede til visuelt at identificere koronaplanet, der afgrænser det mest forreste aspekt af midten af hjernen. I koronabilledet identificerer visuelt det aksiale plan, der skitserer det ringere aspekt af den tredje ventrikel. På det sagittale billede skal du justere den overlegne grænse for NM-MR-volumenet til det aksiale plan, der er identificeret tidligere.Flyt derefter den overlegne grænse for NM-MR-volumenet tre millimeter i den overlegne retning. På samme måde justeres NM-MR-volumenet til midterlinjen i de aksiale og koronale billeder og erhverver NM-MR-billederne. Udfør kvalitetskontrol af de erhvervede NM-MR-billeder ved at sikre, at billederne dækker hele substantia nigra eller SN. Bekræft, at SN er synlig på de centrale billeder, men ikke på de mest overlegne eller mest underordnede billeder af NM-MR-volumenet.Hvis NM-MR-billederne ikke består den foreløbige kvalitetskontrol, gentages den T1-vægtede anskaffelse, NM-MR-placeringsproceduren og anskaffelsen. Derefter skal du visuelt inspicere hvert udsnit af den erhvervede NM-MR-scanning for at kontrollere artefakter. Kontroller for artefakter, der går gennem SN og det omgivende hvide stof.Se efter pludselige ændringer i signalintensitet med et lineært mønster, der ikke respekterer normale anatomiske grænser. NM-MR-billeder med artefakter som følge af blodkar bør bevares, da disse artefakter sandsynligvis altid vil være til stede. Hvis artefakterne skyldes deltagernes hovedbevægelse eller er tvetydige, skal du kopiere NM-MR-volumenplaceringen og generhverve NM-MR-billederne.Ved generhvervelse, hvis artefakterne forbliver til stede, skal du fortsætte med disse billeder, da de kan være biologiske snarere end et resultat af bevægelse. Protokollen sikrer erhvervelse af tilfredsstillende NM-MR-billeder med fuldstændig dækning af SN på en trinvis måde. I den indledende kvalitetskontrol af erhvervede billeder var SN synlig i den mest overlegne skive, hvilket indikerer, at fuld dækning af SN ikke blev opnået.Billederne mislykkedes den anden kvalitetskontrol på grund af tilstedeværelsen af artefakter som følge af blodkar, artefakter som følge af bevægelse eller tvetydige artefakter. I den repræsentative analyse vises de tilfredsstillende NM-MR-billeder fra de fleste ringere end de mest overlegne. På billederne kunne man se fremragende kontrast mellem SN og nærliggende hvide stofregioner uden neuromelaninkoncentration.Proceduren sikrer, at neuromelaninfølsomme MR-data af god kvalitet erhverves på en pålidelig og gentagelig måde. Dataene kan bruges til ikke-invasivt at undersøge dopamincelletab i neurodegenerative sygdomme.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and ...

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Høj opløsning funktionel magnetisk resonans Metoder til human midthjernen

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

Comprehensive Profiling of Dopamine Regulation in Substantia Nigra and Ventral Tegmental Area

Omfattende Profilering af Dopamin forordning i substantia nigra og ventrale tegmentale område

Dopamine is a vigorously studied neurotransmitter in the CNS. Indeed, its involvement in locomotor activity and reward-related behaviour has fostered five ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Brug af Magnetic Resonance Spectroscopy som et værktøj til måling af Bi-halvkugleformet Transkranial Electric Stimulation Virkninger på Primary Motor Cortex Metabolisme

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

Høj opløsning<em&gt; In vivo</em&gt; Manuel Segmentering Protokol for humant hippocampus Underfelter Brug 3T Magnetic Resonance Imaging

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has ...

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Høj opløsning Strukturel Magnetic Resonance Imaging af Human subcortex<I&gt; In vivo</I&gt; Og Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of ...

A Magnetic Resonance Imaging Protocol for Stroke Onset Time Estimation in Permanent Cerebral Ischemia

En magnetisk resonans protokol for slagtilfælde indsættende tid skøn i Permanent Cerebral iskæmi

MRI provides a sensitive and specific imaging tool to detect acute ischemic stroke by means of a reduced diffusion coefficient of brain water. In a rat ...

Stereological Estimation of Dopaminergic Neuron Number in the Mouse Substantia Nigra Using the Optical Fractionator and Standard Microscopy Equipment

Stereological vurdering af dopaminerge Neuron antallet i mus Substantia Nigra ved hjælp af optisk fraktioneringskolonne og Standard mikroskopi udstyr

In pre-clinical Parkinson&#39;s disease research, analysis of the nigrostriatal tract, including quantification of dopaminergic neuron loss within the ...

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in Chronic Spinal Cord Compression

Diffusion tensor magnetisk resonans imaging i kronisk rygmarv kompression

Chronic spinal cord compression is the most common cause of spinal cord impairment in patients with nontraumatic spinal cord damage. Conventional magnetic ...

Semi-Quantitative Determination of Dopaminergic Neuron Density in the Substantia Nigra of Rodent Models using Automated Image Analysis

Semi-kvantitativ bestemmelse af dopaminergisk neurontæthed i Substantia Nigra af gnavermodeller ved hjælp af automatiseret billedanalyse

Estimation of the number of dopaminergic neurons in the substantia nigra is a key method in pre-clinical Parkinson's disease research. Currently, unbiased ...