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

Il Dr. Horga ha ricevuto il supporto del NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Il Dr. Wengler ha ricevuto il supporto del NIMH (F32-MH125540).

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</p...

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...

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 SN24,25.
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 invecchiamento28, 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 studi31,32 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.

<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

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.

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 ...

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

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

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

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

Il protocollo presenta la prima procedura passo-passo standardizzata e altamente dettagliata per l'acquisizione della risonanza magnetica sensibile alla neuromelanina. Ciò consentirà al campo di confrontare direttamente i dati tra i siti e combinare campioni per convalidare i biomarcatori generalizzati. La tecnica utilizza una procedura di posizionamento dettagliata e controlli di qualità per ridurre al minimo la perdita di dati.La tecnica faciliterà gli studi su larga scala necessari per sviluppare e convalidare biomarcatori nei disturbi neuropsichiatrici, in particolare per la diagnosi del morbo di Parkinson. È utile rivedere i concetti di base della neuroanatomia, come i termini per diversi piani e posizioni del cervello che consentono di orientarsi, mentre si esaminano le immagini cerebrali sulla console dello scanner. Inizia acquisendo un'immagine ad alta risoluzione pesata T1 o T1W di una dimensione massima di un millimetro isotropa del voxel che è allineata lungo la commissura anteriore, la commissura posteriore o la linea AC-PC e la linea mediana.Subito dopo l'acquisizione, eseguire l'allineamento dell'immagine T1W ad alta risoluzione tramite riformattazione online con il software compatibile. Caricare le viste sagittale, coronale e assiale dell'immagine T1W allineata AC-PC e assicurarsi che siano presenti le linee di riferimento che rappresentano la posizione di ciascuna sezione visualizzata. Successivamente, ispezionare visivamente le fette sagittali dell'immagine riformattata per identificare l'immagine sagittale che mostra la più grande separazione tra il mesencefalo e il talamo.Usa l'immagine sagittale per identificare visivamente il piano coronale, delineando l'aspetto più anteriore del mesencefalo. Nell'immagine coronale, identificare visivamente il piano assiale che delinea l'aspetto inferiore del terzo ventricolo. Nell'immagine sagittale, allineare il limite superiore del volume NM-MRI al piano assiale identificato in precedenza.Quindi, spostare il limite superiore del volume NM-MRI di tre millimetri nella direzione superiore. Allo stesso modo, allineare il volume NM-MRI alla linea mediana nelle immagini assiali e coronali e acquisire le immagini NM-MRI. Eseguire controlli di qualità sulle immagini NM-MRI acquisite assicurando che le immagini coprano l'intera substantia nigra o SN. Verificare che il SN sia visibile nelle immagini centrali, ma non nelle immagini più superiori o inferiori del volume NM-MRI.Se le immagini NM-MRI non superano il controllo preliminare di qualità, ripetere l'acquisizione pesata T1, la procedura di posizionamento NM-MRI e l'acquisizione. Quindi, ispezionare visivamente ogni fetta della scansione NM-MRI acquisita per verificare la presenza di artefatti. Controlla gli artefatti che attraversano il SN e la sostanza bianca circostante.Cerca bruschi cambiamenti nell'intensità del segnale con uno schema lineare che non rispetta i normali confini anatomici. Le immagini NM-MRI con artefatti derivanti dai vasi sanguigni dovrebbero essere conservate, poiché questi artefatti saranno molto probabilmente sempre presenti. Se gli artefatti sono dovuti al movimento della testa dei partecipanti o sono ambigui, copiare il posizionamento del volume NM-MRI e riacquisire le immagini NM-MRI.Al momento della riacquisizione, se gli artefatti rimangono presenti, procedere con queste immagini, in quanto potrebbero essere biologiche piuttosto che il risultato di un movimento. Il protocollo garantisce l'acquisizione di immagini NM-MRI soddisfacenti con copertura completa del SN in modo graduale. Nel controllo di qualità iniziale delle immagini acquisite, il SN era visibile nella fetta più superiore, indicando che la copertura completa della SN non era stata raggiunta.Le immagini non hanno superato il secondo controllo di qualità a causa della presenza di artefatti derivanti da vasi sanguigni, artefatti derivanti da movimenti o artefatti ambigui. Nell'analisi rappresentativa, vengono visualizzate le immagini NM-MRI soddisfacenti dalla più inferiore alla più superiore. Sulle immagini, è stato possibile vedere un eccellente contrasto tra il SN e le regioni limitrofe della sostanza bianca senza concentrazione di neuromelanina.La procedura garantisce che i dati MRI sensibili alla neuromelanina di buona qualità vengano acquisiti in modo affidabile e ripetibile. I dati possono essere utilizzati per studiare in modo non invasivo la perdita di cellule dopaminergiche nelle malattie neurodegenerative.

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