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

ד"ר הורגה קיבל תמיכה מה- NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). ד"ר ונגלר קיבל תמיכה מ- NIMH (F32-MH125540).

הערה: המחקר שנערך לפיתוח פרוטוקול זה בוצע בהתאם להנחיות מועצת הביקורת המוסדית של המכון הפסיכיאטרי של מדינת ניו יורק (IRB #7655). נבדק אחד נסרק לצורך הקלטת סרטון הפרוטוקול, והתקבלה הסכמה מדעת בכתב. עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים על סורק ה-MRI המשמש בפרוטוקול זה.
1. פרמטרים ל?...

המערכת הדופמינרגית ממלאת תפקיד מכריע בקוגניציה בריאה ובהפרעות נוירופסיכיאטריות. פיתוח שיטות לא פולשניות שניתן להשתמש בהן כדי לחקור שוב ושוב את המערכת הדופמינרגית in vivo הוא קריטי לפיתוח סמנים ביולוגיים בעלי משמעות קלינית. הפרוטוקול המתואר כאן מספק הוראות שלב אחר שלב לרכישת תמונות NM-M...

נוירומלנין (באנגלית: Neuromelanin, בראשי תיבות: NM) הוא פיגמנט כהה המצוי בתאי עצב דופמינרגיים של תאי העצב הסובסטנטיה ניגרה (SN) והנוראדרנרגיים של הלוקוס קורולוס (LC)1,2. NM מסונתז על ידי חמצון תלוי ברזל של דופמין ציטוזולי ונוראפינפרין ומאוחסן בוואקולות אוטופגיות בסומה3. הוא מופיע לראשונה בבני אדם בסביבות גיל 2-3 שנים ומצטבר עם גיל 1,4,5.
בתוך vacuoles המכילים NM של נוירונים SN ו- LC, NM יוצר קומפלקסים עם ברזל. קומפלקסים אלה של ברזל NM הם פרמגנטיים, ומאפשרים הדמיה לא פולשנית של NM באמצעות הדמיית תהודה מגנטית (MRI)6,7. סריקות MRI שיכולות להמחיש NM ידועות בשם MRI רגיש ל-NM (NM-MRI) ומשתמשות באפקטים ישירים או עקיפים של העברת מגנטיזציה כדי לספק ניגודיות בין אזורים עם ריכוז NM גבוה (למשל, SN) לבין החומר הלבןשמסביב 8,9.
ניגודיות העברת מגנטיזציה היא תוצאה של האינטראקציה בין פרוטוני מים הקשורים למקרו-מולקולות (הרוויים על ידי פולסי העברת המגנטיזציה) לבין פרוטוני המים החופשיים הסובבים אותם. ב- NM-MRI, הוא האמין כי האופי הפרמגנטי של קומפלקסים NM-ברזל מקצר את T1 של פרוטונים מים חופשיים שמסביב, וכתוצאה מכך השפעות מגנטיזציה מופחתות כך אזורים עם ריכוז NM גבוה יותר מופיעים hyperintense על סריקות NM-MRI10. לעומת זאת, החומר הלבן המקיף את ה-SN הוא בעל תכולה מקרומולקולרית גבוהה, וכתוצאה מכך השפעות מגנטיזציה-העברה גדולות, כך שאזורים אלה נראים היפו-אינטנסיביים בסריקות NM-MRI, ובכך מספקים ניגודיות גבוהה בין ה-SN לבין החומר הלבן שמסביב.
ב-SN, NM-MRI יכול לספק סמן של אובדן תאים דופמינרגיים11 ותפקוד מערכת דופמין12. שני תהליכים אלה רלוונטיים למספר הפרעות נוירופסיכיאטריות ונתמכים על ידי גוף עצום של עבודה קלינית ופרה-קלינית. לדוגמה, חריגות בתפקוד הדופמין נצפו באופן נרחב בסכיזופרניה; מחקרי in vivo שהשתמשו בטומוגרפיה של פליטת פוזיטרונים (PET) הראו שחרור מוגבר של דופמין סטריאטלי 13,14,15,16 ויכולת סינתזת דופמין מוגברת 17,18,19,20,21,22 . יתר על כן, מחקרים שלאחר המוות הראו כי לחולים עם סכיזופרניה יש רמות גבוהות יותר של טירוזין הידרוקסילאז – האנזים המגביל את הקצב המעורב בסינתזת דופמין – בגרעיני הבסיס23 ו-SN24,25.
מספר מחקרים חקרו דפוסים של אובדן תאים דופמינרגיים, במיוחד במחלת פרקינסון. מחקרים שלאחר המוות גילו כי הנוירונים הדופמינרגיים הפיגמנטיים של ה- SN הם האתר העיקרי של ניוון עצבי במחלת פרקינסון 26,27, וכי בעוד אובדן תאי SN במחלת פרקינסון אינו מתואם עם אובדן תאים בהזדקנות רגילה28, הוא מתואם עם משך המחלה 29 . שלא כמו רוב השיטות לחקר המערכת הדופמינרגית, אי-הפולשנות, החסכוניות והיעדר הקרינה המייננת הופכים את NM-MRI לסמן ביולוגי רב-תכליתי30.
פרוטוקול NM-MRI המתואר במאמר זה פותח כדי להגדיל הן את יכולת השחזור של NM-MRI בתוך הנושא והן את יכולת השחזור הרוחבית של NM-MRI. פרוטוקול זה מבטיח כיסוי מלא של ה- SN למרות הכיסוי המוגבל של סריקות NM-MRI בכיוון נחות-מעולה. הפרוטוקול עושה שימוש בתמונות סגיטליות, קורונליות ותלת-ממדיות ציריות (3D) משוקללות T1 (T1w), ויש לבצע את השלבים כדי להשיג מיקום נכון של ערימת פרוסות. הפרוטוקול המתואר במאמר זה שימש במספר מחקרים31,32 ונבדק בהרחבה. Wengler et al. השלימו מחקר על המהימנות של פרוטוקול זה שבו תמונות NM-MRI נרכשו פעמיים בכל משתתף במשך מספר ימים32. מקדמי מתאם תוך-מעמדיים הדגימו אמינות מצוינת של בדיקה חוזרת של שיטה זו עבור ניתוחים מבוססי אזור עניין (ROI) ו-voxelwise, כמו גם ניגודיות גבוהה בתמונות.

<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

המערכת הדופמינרגית ממלאת תפקיד מכריע בקוגניציה בריאה (למשל, למידה מתגמלת וחוסר ודאות) ובהפרעות נוירופסיכיאטריות (למשל, מחלת פרקינסון וסכיזופרניה). נוירומלנין הוא תוצר לוואי של סינתזת דופמין המצטברת בנוירונים דופמינרגיים של הסובסטנטיה ניגרה. דימות תהודה מגנטית רגיש לנוירומלנין (NM-MRI) היא שיטה לא פולשנית למדידת נוירומלנין באותם נוירונים דופמינרגיים, המספקת מדידה ישירה של אובדן תאים דופמינרגיים ב- substantia nigra ומדד פרוקסי של תפקוד הדופמין. למרות ש-NM-MRI הוכח כיעיל לחקר הפרעות נוירופסיכיאטריות שונות, הוא מאותגר על ידי שדה ראייה מוגבל בכיוון נחות-נעלה וכתוצאה מכך אובדן פוטנציאלי של נתונים מהדרה מקרית של חלק מה-substantia nigra. בנוסף, התחום חסר פרוטוקול סטנדרטי לרכישת נתוני NM-MRI, שלב קריטי בהקלה על מחקרים רב-אתריים רחבי היקף ותרגום למרפאה. פרוטוקול זה מתאר שלב אחר שלב נוהל מיקום אמצעי אחסון NM-MRI ובדיקות בקרת איכות מקוונות כדי להבטיח רכישת נתונים באיכות טובה המכסים את כל ה- substantia nigra.

איור 4 מציג את התוצאות המייצגות של משתתפת בת 28 ללא הפרעות פסיכיאטריות או נוירולוגיות. פרוטוקול NM-MRI מבטיח כיסוי מלא של ה-SN, שהושג על-ידי ביצוע שלב 2 של הפרוטוקול המתואר באיור 1, ותמונות NM-MRI משביעות רצון על-ידי ביצוע שלב 3 של הפרוטוקול. ניתן לראות ניגודיות מצוינת...

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

פרוטוקול זה מראה כיצד להשיג נתוני דימות תהודה מגנטית רגישים לנוירומלנין של הסובסטנטיה ניגרה.

רכישת נתונים מתוקננת להדמיית תהודה מגנטית רגישה לנוירומלנין של Substantia Nigra

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

הפרוטוקול מציג את ההליך הסטנדרטי והמפורט הראשון שלב אחר שלב לרכישת MRI רגיש לנוירומלנין. זה יאפשר לשדה להשוות ישירות נתונים בין אתרים ולשלב דגימות כדי לאמת סמנים ביולוגיים כלליים. הטכניקה משתמשת בהליך מיקום מפורט ובבדיקות בקרת איכות כדי למזער אובדן נתונים.הטכניקה תאפשר מחקרים בקנה מידה גדול הדרושים לפיתוח ואימות סמנים ביולוגיים בהפרעות נוירופסיכיאטריות, במיוחד לאבחון מחלת פרקינסון. כדאי לסקור את המושגים הבסיסיים בנוירואנטומיה, כגון מונחים למישורים שונים ולמיקומים שונים של המוח המאפשרים לאדם להתמצא, תוך בחינת תמונות מוח בקונסולת הסורק. התחל על ידי רכישת תמונה משוקללת T1 או T1W ברזולוציה גבוהה של גודל ווקסל איזוטרופי של מילימטר אחד לכל היותר, המיושר לאורך הקומיסורה הקדמית, הקומיסורה האחורית או קו AC-PC וקו האמצע.מיד לאחר הרכישה, בצע את היישור של תמונת T1W ברזולוציה גבוהה באמצעות אתחול מחדש מקוון עם התוכנה התואמת. טען את התצוגות הסגיטליות, הכתריות והציריות של תמונת T1W המיושרת באמצעות AC-PC וודא שקווי הייחוס המתארים את המיקום של כל פרוסה מוצגת קיימים. לאחר מכן, בדוק באופן חזותי את פרוסות הסגיטליות של התמונה שעוצבה מחדש כדי לזהות את התמונה הסגיטלית המציגה את ההפרדה הגדולה ביותר בין המוח האמצעי לתלמוס.השתמש בתמונה הסגיטלית כדי לזהות חזותית את המישור הקורונלי, המתאר את ההיבט הקדמי ביותר של אמצע המוח. בתמונה הקורונלית, זהה חזותית את המישור הצירי המתאר את ההיבט הנחות של החדר השלישי. בתמונה הסגיטלית, יישר את הגבול העליון של נפח NM-MRI למישור הצירי שזוהה קודם לכן.לאחר מכן, הזז את הגבול העליון של נפח NM-MRI שלושה מילימטרים בכיוון העליון. באופן דומה, יישר את נפח NM-MRI לקו האמצע בתמונות הציריות והקורונליות וקבל את תמונות ה- NM-MRI. בצע בדיקות בקרת איכות על תמונות NM-MRI שנרכשו על-ידי וידוא שהתמונות מכסות את כל ה-substantia nigra או SN. ודא שה- SN גלוי בתמונות המרכזיות, אך לא בתמונות העליונות או הנחותות ביותר של אמצעי האחסון NM-MRI.אם תמונות NM-MRI נכשלות בבדיקת בקרת האיכות הראשונית, חזור על הרכישה המשוקללת T1, הליך המיקום של NM-MRI והרכישה. לאחר מכן, בדוק חזותית כל פרוסה של סריקת NM-MRI שנרכשה כדי לבדוק אם יש ממצאים. בדוק אם יש ממצאים שעוברים דרך ה-SN והחומר הלבן שמסביב.חפש שינויים פתאומיים בעוצמת האות עם תבנית ליניארית שאינה מכבדת גבולות אנטומיים רגילים. יש לשמור על תמונות NM-MRI עם ממצאים הנובעים מכלי דם, שכן ממצאים אלה ככל הנראה תמיד יהיו נוכחים. אם הממצאים נובעים מתנועת הראש של המשתתפים או שהם מעורפלים, העתק את מיקום אמצעי האחסון של NM-MRI וקבל מחדש את תמונות ה- NM-MRI.עם הרכישה מחדש, אם הממצאים נשארים נוכחים, המשיכו עם תמונות אלה, מכיוון שהן יכולות להיות ביולוגיות ולא תוצאה של תנועה. הפרוטוקול מבטיח רכישה של תמונות NM-MRI משביעות רצון עם כיסוי מלא של ה- SN באופן מדורג. בבדיקת האיכות הראשונית של התמונות שנרכשו, ה- SN נראה בפרוסה המעולה ביותר, מה שמעיד על כך שלא הושג כיסוי מלא של ה- SN.התמונות נכשלו בבדיקת האיכות השנייה בשל נוכחותם של חפצים הנובעים מכלי דם, חפצים הנובעים מתנועה, או ממצאים מעורפלים. בניתוח הייצוגי מוצגות תמונות NM-MRI משביעות רצון מנחותות ביותר לעליונות ביותר. בתמונות ניתן היה לראות ניגודיות מצוינת בין ה-SN לאזורי החומר הלבן השכנים ללא ריכוז נוירומלנין.ההליך מבטיח כי נתוני MRI רגישים לנוירומלנין באיכות טובה נרכשים באופן אמין וניתן לחזור עליו. ניתן להשתמש בנתונים כדי לחקור באופן לא פולשני אובדן תאי דופמין במחלות נוירודגנרטיביות.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

מרובה עכבר Neuroanatomical תהודה מגנטית

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

ברזולוציה גבוהה תהודה מגנטית פונקציונלית שיטות המוח התיכון האדם

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

פרופיל מקיף של הסדרת substantia nigra הדופמין ואזור Tegmental הגחון

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

השימוש בספקטרוסקופיה בתהודה מגנטית ככלי למדידה של השפעות דו חצי מוח Transcranial חשמלי גירוי על יסודי Motor Cortex מטבוליזם

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

ברזולוציה גבוהה<em&gt; In vivo</em&gt; פרוטוקול פילוח ידני לאדם בהיפוקמפוס תת תחומים באמצעות הדמיה בתהודה מגנטית 3T

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

הדמיית תהודה מגנטית מבנית ברזולוציה גבוהה של תת-הקליפה&quot; האדם<I&gt; In vivo</I&gt; ולאחר המוות

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

עבור קו תחילת זמן להערכת ב קבע קליפתית פרוטוקול הדמיית תהודה מגנטית

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

הערכה stereological של דופאמין נוירון במספר העכבר הסובסטנציה ניגרה באמצעות מיקרוסקופ רגיל ציוד אופטי Fractionator

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

דיפוזיה זנסור הדמיה מגנטית באמצעות דחיסת חוט השדרה כרונית

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

קביעה כמותית למחצה של צפיפות נוירון דופאמין בסבסטנציה ניגרה של מודלים מכרסמים באמצעות ניתוח תמונה אוטומטי

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