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 mottok støtte fra NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr. Wengler fikk støtte fra NIMH (F32-MH125540).

MERK: Forskningen som ble utført for å utvikle denne protokollen ble utført i samsvar med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board retningslinjer (IRB # 7655). Den ene personen ble skannet for opptak av protokollvideoen, og skriftlig informert samtykke ble innhentet. Se materialfortegnelsen for detaljer om MR-skanneren som brukes i denne protokollen.
1. MR-anskaffelsesparametere
<ol><li>Forbered deg på å skaffe høyoppløselige T1w-bilder ved hjel...

Det dopaminerge systemet spiller en avgjørende rolle i sunn kognisjon og nevropsykiatriske lidelser. Utviklingen av ikke-invasive metoder som kan brukes til å gjentatte ganger undersøke det dopaminerge systemet in vivo er avgjørende for utviklingen av klinisk meningsfulle biomarkører. Protokollen som er beskrevet her, gir trinnvise instruksjoner for innhenting av NM-MR-bilder av SN av god kvalitet, inkludert plassering av NM-MR-volumet og kvalitetskontrollkontroller for å sikre brukbare data.
<p class=...

Neuromelanin (NM) er et mørkt pigment som finnes i dopaminerge nevroner av substantia nigra (SN) og noradrenerge nevroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseres ved jernavhengig oksidasjon av cytosolisk dopamin og noradrenalin og lagres i autofagiske vakuoler i soma3. Det vises først hos mennesker rundt 2-3 år og akkumuleres med alderen 1,4,5.
Innenfor NM-holdige vakuoler av SN- og LC-nevroner danner NM komplekser med jern. Disse NM-jernkompleksene er paramagnetiske, noe som muliggjør ikke-invasiv visualisering av NM ved hjelp av magnetisk resonansavbildning (MR) 6,7. MR-skanninger som kan visualisere NM er kjent som NM-sensitive MR (NM-MR) og bruker enten direkte eller indirekte magnetiseringsoverføringseffekter for å gi kontrast mellom regioner med høy NM-konsentrasjon (f.eks. SN) og den omkringliggende hvite substansen 8,9.
Magnetiseringsoverføringskontrast er resultatet av samspillet mellom makromolekylære bundne vannprotoner (som er mettet av magnetiseringsoverføringspulser) og de omkringliggende frivannsprotonene. I NM-MR antas det at den paramagnetiske naturen til NM-jernkomplekser forkorterT1 av de omkringliggende frittvannsprotonene, noe som resulterer i reduserte magnetiseringsoverføringseffekter slik at regioner med høyere NM-konsentrasjon vises hyperintens på NM-MR-skanninger10. Omvendt har den hvite substansen som omgir SN et høyt makromolekylært innhold, noe som resulterer i store magnetiseringsoverføringseffekter slik at disse regionene virker hypointense på NM-MR-skanninger, og gir dermed høy kontrast mellom SN og omkringliggende hvit substans.
I SN kan NM-MR gi en markør for dopaminerg celletap11 og dopaminsystemfunksjon12. Disse to prosessene er relevante for flere nevropsykiatriske lidelser og støttes av en stor mengde klinisk og preklinisk arbeid. For eksempel har abnormiteter i dopaminfunksjon blitt mye observert i schizofreni; in vivo-studier ved bruk av positronemisjonstomografi (PET) har vist økt striatal dopaminfrigivelse 13,14,15,16 og økt dopaminsyntesekapasitet 17,18,19,20,21,22 . Videre har post mortem-studier vist at pasienter med schizofreni har økte nivåer av tyrosinhydroksylase - det hastighetsbegrensende enzymet involvert i dopaminsyntese - i basalganglia23 og SN24,25.
Flere studier har undersøkt mønstre av dopaminerg celletap, spesielt ved Parkinsons sykdom. Post mortem-studier har vist at de pigmenterte dopaminerge nevronene i SN er det primære stedet for nevrodegenerasjon ved Parkinsons sykdom 26,27, og at mens SN-celletap i Parkinsons sykdom ikke er korrelert med celletap ved normal aldring28, er det korrelert med sykdommens varighet 29 . I motsetning til de fleste metoder for å undersøke det dopaminerge systemet, gjør ikke-invasivitet, kostnadseffektivitet og mangel på ioniserende stråling NM-MR til en allsidig biomarkør30.
NM-MR-protokollen beskrevet i denne artikkelen ble utviklet for å øke både in-subject og cross-subject reproduserbarhet av NM-MRI. Denne protokollen sikrer full dekning av SN til tross for begrenset dekning av NM-MR-skanninger i dårligere retning. Protokollen benytter seg av sagittale, koronale og aksiale tredimensjonale (3D) T1-vektede (T1w) bilder, og trinnene bør følges for å oppnå riktig plassering av skivestakken. Protokollen som er skissert i dette papiret har blitt brukt i flere studier31,32 og ble grundig testet. Wengler og medarbeidere fullførte en studie av påliteligheten til denne protokollen der NM-MR-bilder ble tatt to ganger hos hver deltaker over flere dager32. Korrelasjonskoeffisienter i klassen viste utmerket test-retest-reliabilitet av denne metoden for ROI-baserte og voxelvise analyser, samt høy kontrast i bildene.

<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 systemet spiller en avgjørende rolle i sunn kognisjon (f.eks. Belønningslæring og usikkerhet) og nevropsykiatriske lidelser (f.eks. Parkinsons sykdom og schizofreni). Neuromelanin er et biprodukt av dopaminsyntese som akkumuleres i dopaminerge nevroner av substantia nigra. Neuromelanin-sensitive magnetic resonance imaging (NM-MRI) er en ikke-invasiv metode for måling av neuromelanin i de dopaminerge nevronene, og gir et direkte mål på dopaminerg celletap i substantia nigra og et proxy-mål for dopaminfunksjon. Selv om NM-MR har vist seg å være nyttig for å studere ulike nevropsykiatriske lidelser, utfordres det av et begrenset synsfelt i dårligere-overlegen retning, noe som resulterer i potensielt tap av data fra utilsiktet eksklusjon av en del av substantia nigra. I tillegg mangler feltet en standardisert protokoll for innsamling av NM-MR-data, et kritisk skritt for å legge til rette for storskala multisitestudier og oversettelse til klinikken. Denne protokollen beskriver en trinnvis NM-MR volumplasseringsprosedyre og online kvalitetskontroll kontroller for å sikre innsamling av data av god kvalitet som dekker hele substantia nigra.

Figur 4 viser de representative resultatene fra en 28 år gammel kvinnelig deltaker uten psykiatriske eller nevrologiske lidelser. NM-MR-protokollen sikrer fullstendig dekning av SN, oppnådd ved å følge trinn 2 i protokollen skissert i figur 1, og tilfredsstillende NM-MR-bilder ved å følge trinn 3 i protokollen. Utmerket kontrast mellom SN og nærliggende hvite materieregioner med ubetydelig NM-konsentrasjon (dvs. crus cerebri) kan sees. Disse bildene ble s...

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 protokollen viser hvordan man skaffer nevromelaninfølsomme magnetiske resonansavbildningsdata av substantia nigra.

Standardisert datainnsamling for nevromelaninfølsom magnetisk resonansavbildning av substantia nigra

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

Protokollen presenterer den første standardiserte og svært detaljerte trinnvise prosedyren for å anskaffe nevromelaninfølsom MR. Dette vil tillate feltet å direkte sammenligne data på tvers av nettsteder og kombinere prøver for å validere generaliserte biomarkører. Teknikken bruker en detaljert plasseringsprosedyre og kvalitetskontroll for å minimere tap av data.Teknikken vil legge til rette for store studier som er nødvendige for å utvikle og validere biomarkører i nevropsykiatriske lidelser, spesielt for diagnostisering av Parkinsons sykdom. Det er nyttig å gjennomgå de grunnleggende konseptene i nevroanatomi, for eksempel vilkår for forskjellige plan og steder i hjernen som gjør at man kan orientere seg, mens man undersøker hjernebilder på skannerkonsollen. Start med å skaffe et høyoppløselig T1-vektet eller T1W-bilde av en maksimal en millimeter isotropisk voxelstørrelse som er justert langs den fremre kommisjonen, bakre commissure eller AC-PC-linjen og midtlinjen.Umiddelbart etter oppkjøpet, utfør justeringen av det høyoppløselige T1W-bildet gjennom online omformatering med kompatibel programvare. Last inn sagittal-, koronal- og aksialvisningen av det AC-PC-justerte T1W-bildet, og kontroller at referanselinjene som viser plasseringen av hvert vist stykke, finnes. Deretter inspiserer du visuelt sagittalskivene i det omformaterte bildet for å identifisere sagittalbildet som viser det største skillet mellom midthjernen og thalamus.Bruk sagittalbildet til å visuelt identifisere koronalplanet, og avgrense det mest fremre aspektet av midthjernen. I koronalbildet identifiserer du visuelt det aksiale planet som skisserer det nedre aspektet av den tredje ventrikkelen. På sagittalbildet justerer du den øvre grensen til NM-MR-volumet til det aksiale planet som er identifisert tidligere.Flytt deretter den øvre grensen til NM-MR-volumet tre millimeter i overlegen retning. På samme måte juster NM-MR-volumet til midtlinjen i aksiale og koronale bilder og skaff NM-MR-bildene. Utfør kvalitetskontroll av de innhentede NM-MR-bildene ved å sikre at bildene dekker hele substantia nigra eller SN. Bekreft at SN er synlig på de sentrale bildene, men ikke på de mest overlegne eller dårligste bildene av NM-MR-volumet.Hvis NM-MR-bildene ikke består den foreløpige kvalitetskontrollen, gjentar du T1-vektet innsamling, NM-MR-plasseringsprosedyren og anskaffelsen. Deretter inspiserer du visuelt hvert stykke av den anskaffede NM-MR-skanningen for å se etter artefakter. Se etter gjenstander som går gjennom SN og den omkringliggende hvite substansen.Se etter brå endringer i signalintensitet med et lineært mønster som ikke respekterer normale anatomiske grenser. NM-MR-bilder med artefakter som følge av blodkar bør beholdes, da disse artefaktene mest sannsynlig alltid vil være til stede. Hvis artefaktene skyldes deltakernes hodebevegelse eller er tvetydige, kopierer du NM-MR-volumplasseringen og får tilbake NM-MR-bildene.Ved reacquisition, hvis gjenstandene forblir til stede, fortsett med disse bildene, da de kan være biologiske snarere enn et resultat av bevegelse. Protokollen sikrer innsamling av tilfredsstillende NM-MR-bilder med fullstendig dekning av SN trinnvis. I den første kvalitetskontrollen av oppkjøpte bilder var SN synlig i det mest overlegne stykket, noe som indikerer at full dekning av SN ikke ble oppnådd.Bildene mislyktes i den andre kvalitetskontrollen på grunn av tilstedeværelsen av gjenstander som følge av blodkar, gjenstander som følge av bevegelse eller tvetydige gjenstander. I den representative analysen vises tilfredsstillende NM-MR-bilder fra de dårligste til de mest overlegne. På bildene kunne man se utmerket kontrast mellom SN og nærliggende hvite substansregioner uten nevromelaninkonsentrasjon.Prosedyren sikrer at nevromelaninsensitive MR-data av god kvalitet innhentes på en pålitelig og repeterbar måte. Dataene kan brukes til ikke-invasivt å undersøke dopamincelletap i nevrodegenerative sykdommer.

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

Høyoppløselige funksjonell magnetisk resonans imaging metoder for Human midbrain

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 av Dopamin forordning i substantia nigra og Ventral tegmentale området

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

Bruk av Magnetic Resonance Spectroscopy som et verktøy for måling av Bi-hemisfærisk transkranial elektrostimulasjonen Effekter på Primær Motor Cortex Metabolism

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

Høy oppløsning<em&gt; I Vivo</em&gt; Manuell Segmentering Protokoll for menneskelig hippocampus subfields Bruke 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

Høyoppløselig Structural Magnetic Resonance Imaging of Human subcortex<I&gt; I Vivo</I&gt; Og Post mortem

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 Imaging protokoll for hjerneslag utbruddet tid anslag i Permanent Cerebral iskemi

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 estimering av Dopaminergic Neuron nummer i musen Substantia Nigra optiske Fractionator og Standard mikroskopi utstyr

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 kroniske ryggmargen Compression

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 av dopaminerg nevrontetthet i Substantia Nigra av gnagermodeller ved hjelp av automatisert bildeanalyse

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