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 erhielt Unterstützung vom NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Unterstützung erhielt Dr. Wengler vom NIMH (F32-MH125540).

HINWEIS: Die zur Entwicklung dieses Protokolls durchgeführte Forschung wurde in Übereinstimmung mit den Richtlinien des New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655) durchgeführt. Eine Person wurde für die Aufnahme des Protokollvideos gescannt und eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Weitere Informationen zum in diesem Protokoll verwendeten MRT-Scanner finden Sie in der Materialtabelle .
1. MRT-Erfassungsparameter
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Das dopaminerge System spielt eine entscheidende Rolle bei gesunden Kognitions- und neuropsychiatrischen Störungen. Die Entwicklung nichtinvasiver Methoden, mit denen das dopaminerge System in vivo wiederholt untersucht werden kann, ist entscheidend für die Entwicklung klinisch bedeutsamer Biomarker. Das hier beschriebene Protokoll liefert Schritt-für-Schritt-Anleitungen für die Aufnahme von NM-MRT-Bildern der SN in guter Qualität, einschließlich der Platzierung des NM-MRT-Volumens und Qualitätskontrollen...

Neuromelanin (NM) ist ein dunkles Pigment, das in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra (SN) und noradrenergen Neuronen des Locus coeruleus (LC)1,2 vorkommt. NM wird durch die eisenabhängige Oxidation von zytosolischem Dopamin und Noradrenalin synthetisiert und in autophagischen Vakuolen im soma3 gespeichert. Es tritt erstmals beim Menschen im Alter von 2-3 Jahren auf und reichert sich mit dem Altervon 1,4,5 Jahren an.
Innerhalb der NM-haltigen Vakuolen von SN- und LC-Neuronen bildet NM Komplexe mit Eisen. Diese NM-Eisen-Komplexe sind paramagnetisch und ermöglichen eine nichtinvasive Visualisierung der NM mittels Magnetresonanztomographie (MRT)6,7. MRT-Scans, die NM visualisieren können, werden als NM-sensitive MRT (NM-MRT) bezeichnet und verwenden entweder direkte oder indirekte Magnetisierungstransfereffekte, um einen Kontrast zwischen Regionen mit hoher NM-Konzentration (z. B. SN) und der umgebenden weißen Substanz zu erzeugen 8,9.
Der Magnetisierungstransferkontrast ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen makromolekular gebundenen Wasserprotonen (die durch die Magnetisierungstransferpulse gesättigt sind) und den umgebenden freien Wasserprotonen. In der NM-MRT wird angenommen, dass die paramagnetische Natur von NM-Eisen-Komplexen dasT1 der umgebenden freien Wasserprotonen verkürzt, was zu reduzierten Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass Regionen mit höherer NM-Konzentration auf NM-MRT-Scans hyperintensiv erscheinen10. Umgekehrt hat die weiße Substanz, die das SN umgibt, einen hohen makromolekularen Gehalt, was zu großen Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass diese Regionen auf NM-MRT-Scans hypointensiv erscheinen und somit einen hohen Kontrast zwischen dem SN und der umgebenden weißen Substanz bieten.
In der SN kann die nm-MRT einen Marker für den dopaminergen Zellverlust11 und die Dopaminsystemfunktion12 liefern. Diese beiden Prozesse sind für mehrere neuropsychiatrische Erkrankungen relevant und werden durch eine Vielzahl klinischer und präklinischer Arbeiten unterstützt. Zum Beispiel wurden Anomalien in der Dopaminfunktion bei Schizophrenie häufig beobachtet; In-vivo-Studien mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) haben eine erhöhte striatale Dopaminfreisetzung 13,14,15,16 und eine erhöhte Dopaminsynthesekapazität gezeigt 17,18,19,20,21,22 . Darüber hinaus haben Post-mortem-Studien gezeigt, dass Patienten mit Schizophrenie erhöhte Spiegel von Tyrosinhydroxylase - dem geschwindigkeitsbegrenzenden Enzym, das an der Dopaminsynthese beteiligt ist - in den Basalganglien23 und SN24,25 haben.
Mehrere Studien haben Muster des dopaminergen Zellverlusts untersucht, insbesondere bei der Parkinson-Krankheit. Post-mortem-Studien haben gezeigt, dass die pigmentierten dopaminergen Neuronen des SN der primäre Ort der Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit sind26,27, und dass, während der SN-Zellverlust bei der Parkinson-Krankheit nicht mit dem Zellverlust bei normalem Altern korreliert ist 28, sondern mit der Dauer der Krankheitkorreliert ist 29 . Im Gegensatz zu den meisten Methoden zur Untersuchung des dopaminergen Systems machen die Nichtinvasivität, die Kosteneffizienz und das Fehlen ionisierender Strahlung die NM-MRT zu einem vielseitigen Biomarker30.
Das in dieser Arbeit beschriebene NM-MRT-Protokoll wurde entwickelt, um sowohl die Reproduzierbarkeit der NM-MRT innerhalb als auch zwischen den Probanden zu erhöhen. Dieses Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN trotz der begrenzten Abdeckung von NM-MRT-Scans in die untergeordnete Richtung. Das Protokoll verwendet sagittale, koronale und axiale dreidimensionale (3D) T1-gewichtete (T1w) Bilder, und die Schritte sollten befolgt werden, um eine korrekte Platzierung des Slice-Stacks zu erreichen. Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll wurde in mehreren Studien31,32 verwendet und ausgiebig getestet. Wengler et al. führten eine Studie zur Zuverlässigkeit dieses Protokolls durch, bei der NM-MRT-Bilder bei jedem Teilnehmer zweimal über mehrere Tage hinweg aufgenommen wurden32. Intra-Klassen-Korrelationskoeffizienten zeigten eine ausgezeichnete Test-Retest-Zuverlässigkeit dieser Methode für ROI-basierte und voxelweise Analysen sowie einen hohen Kontrast in den Bildern.

<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

Das dopaminerge System spielt eine entscheidende Rolle bei gesunder Kognition (z. B. Belohnungslernen und Unsicherheit) und neuropsychiatrischen Störungen (z. B. Parkinson-Krankheit und Schizophrenie). Neuromelanin ist ein Nebenprodukt der Dopaminsynthese, das sich in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra anreichert. Die Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie (NM-MRT) ist eine nichtinvasive Methode zur Messung von Neuromelanin in diesen dopaminergen Neuronen, die ein direktes Maß für den dopaminergen Zellverlust in der Substantia nigra und ein Proxy-Maß für die Dopaminfunktion liefert. Obwohl sich die NM-MRT als nützlich für die Untersuchung verschiedener neuropsychiatrischer Störungen erwiesen hat, wird sie durch ein begrenztes Sichtfeld in die untergeordnete Richtung herausgefordert, was zum potenziellen Verlust von Daten durch den versehentlichen Ausschluss eines Teils der Substantia nigra führt. Darüber hinaus fehlt dem Feld ein standardisiertes Protokoll für die Erfassung von NM-MRT-Daten, ein entscheidender Schritt zur Erleichterung groß angelegter Multisite-Studien und der Übersetzung in die Klinik. Dieses Protokoll beschreibt ein schrittweises NM-MRT-Volumenplatzierungsverfahren und Online-Qualitätskontrollen, um die Erfassung qualitativ hochwertiger Daten über die gesamte Substantia nigra sicherzustellen.

Abbildung 4 zeigt die repräsentativen Ergebnisse einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Störungen. Das NM-MRT-Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN, die durch Befolgen von Schritt 2 des in Abbildung 1 dargestellten Protokolls erreicht wird, und zufriedenstellende NM-MRT-Bilder durch Befolgen von Schritt 3 des Protokolls. Ein ausgezeichneter Kontrast zwischen dem SN und benachbarten Regionen der weißen Sub...

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

Dieses Protokoll zeigt, wie Neuromelanin-empfindliche Magnetresonanztomographen der Substantia nigra gewonnen werden können.

Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

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

Das Protokoll stellt das erste standardisierte und hochdetaillierte Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Erfassung der Neuromelanin-sensitiven MRT dar. Dies ermöglicht es dem Feld, Daten direkt standortübergreifend zu vergleichen und Proben zu kombinieren, um generalisierte Biomarker zu validieren. Die Technik verwendet ein detailliertes Platzierungsverfahren und Qualitätskontrollen, um Datenverlust zu minimieren.Die Technik wird groß angelegte Studien ermöglichen, die zur Entwicklung und Validierung von Biomarkern bei neuropsychiatrischen Erkrankungen, insbesondere für die Diagnose der Parkinson-Krankheit, erforderlich sind. Es ist nützlich, die grundlegenden Konzepte der Neuroanatomie zu überprüfen, z. B. Begriffe für verschiedene Ebenen und Orte des Gehirns, die es ermöglichen, sich zu orientieren, während man Gehirnbilder auf der Scannerkonsole untersucht. Beginnen Sie mit der Aufnahme eines hochauflösenden T1-gewichteten oder T1W-Bildes mit einer isotropen Voxelgröße von maximal einem Millimeter, das entlang der vorderen Kommissur, der hinteren Kommissur oder der AC-PC-Linie und der Mittellinie ausgerichtet ist.Führen Sie unmittelbar nach der Aufnahme die Ausrichtung des hochauflösenden T1W-Bildes durch Online-Neuformatierung mit der kompatiblen Software durch. Laden Sie die sagittale, koronale und axiale Ansicht des AC-PC-ausgerichteten T1W-Bildes, und stellen Sie sicher, dass die Referenzlinien, die die Position jedes angezeigten Segments darstellen, vorhanden sind. Als nächstes untersuchen Sie visuell die sagittalen Scheiben des neu formatierten Bildes, um das sagittale Bild zu identifizieren, das die größte Trennung zwischen Mittelhirn und Thalamus zeigt.Verwenden Sie das sagittale Bild, um die koronale Ebene visuell zu identifizieren und den vorderen Aspekt des Mittelhirns abzugrenzen. Identifizieren Sie im koronalen Bild visuell die axiale Ebene, die den unteren Aspekt des dritten Ventrikels umreißt. Richten Sie auf dem sagittalen Bild die obere Grenze des NM-MRT-Volumens an der zuvor identifizierten axialen Ebene aus.Verschieben Sie dann die obere Grenze des NM-MRT-Volumens um drei Millimeter in die obere Richtung. In ähnlicher Weise richten Sie das NM-MRT-Volumen an der Mittellinie in den axialen und koronalen Bildern aus und erfassen Sie die NM-MRT-Bilder. Führen Sie Qualitätskontrollen an den aufgenommenen NM-MRT-Bildern durch, indem Sie sicherstellen, dass die Bilder die gesamte Substantia nigra oder SN abdecken. Bestätigen Sie, dass das SN in den zentralen Bildern sichtbar ist, aber nicht in den überlegensten oder unterlegensten Bildern des NM-MRT-Volumens.Wenn die NM-MRT-Bilder die vorläufige Qualitätskontrolle nicht bestehen, wiederholen Sie die T1-gewichtete Erfassung, NM-MRT-Platzierung und Aufnahme. Als nächstes untersuchen Sie jeden Schnitt des erfassten NM-MRT-Scans, um nach Artefakten zu suchen. Suchen Sie nach Artefakten, die durch das SN und die umgebende weiße Substanz gehen.Suchen Sie nach abrupten Änderungen der Signalintensität mit einem linearen Muster, das die normalen anatomischen Grenzen nicht respektiert. NM-MRT-Bilder mit Artefakten aus Blutgefäßen sollten beibehalten werden, da diese Artefakte höchstwahrscheinlich immer vorhanden sein werden. Wenn die Artefakte auf die Kopfbewegung der Teilnehmer zurückzuführen oder mehrdeutig sind, kopieren Sie die NM-MRT-Volumenplatzierung und nehmen Sie die NM-MRT-Bilder erneut auf.Wenn die Artefakte bei der Wiederaufnahme vorhanden bleiben, fahren Sie mit diesen Bildern fort, da sie eher biologisch als das Ergebnis von Bewegung sein könnten. Das Protokoll gewährleistet die schrittweise Erfassung zufriedenstellender NM-MRT-Bilder mit vollständiger Abdeckung des SN. Bei der ersten Qualitätsprüfung der aufgenommenen Bilder war das SN in der überlegensten Scheibe sichtbar, was darauf hindeutet, dass die vollständige Abdeckung des SN nicht erreicht wurde.Die Bilder bestanden die zweite Qualitätsprüfung aufgrund des Vorhandenseins von Artefakten aus Blutgefäßen, Artefakten, die aus Bewegung resultieren, oder mehrdeutigen Artefakten. In der repräsentativen Analyse werden die zufriedenstellenden NM-MRT-Bilder von den unterlegensten bis zu den überlegensten angezeigt. Auf den Bildern war ein ausgezeichneter Kontrast zwischen dem SN und benachbarten Regionen der weißen Substanz ohne Neuromelaninkonzentration zu sehen.Das Verfahren stellt sicher, dass qualitativ hochwertige Neuromelanin-sensitive MRT-Daten zuverlässig und wiederholbar erfasst werden. Die Daten können verwendet werden, um den Dopaminzellverlust bei neurodegenerativen Erkrankungen nicht-invasiv zu untersuchen.

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