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

O Dr. Horga recebeu apoio do NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). O Dr. Wengler recebeu apoio do NIMH (F32-MH125540).

NOTA: A pesquisa realizada para desenvolver este protocolo foi realizada em conformidade com as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional do Instituto Psiquiátrico do Estado de Nova York (IRB #7655). Um sujeito foi escaneado para gravação do vídeo do protocolo e o termo de consentimento livre e esclarecido foi obtido. Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre o scanner de ressonância magnética usado neste protocolo.
1. Parâmetros de aquisição da RN...

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável e distúrbios neuropsiquiátricos. O desenvolvimento de métodos não invasivos que podem ser usados para investigar repetidamente o sistema dopaminérgico in vivo é fundamental para o desenvolvimento de biomarcadores clinicamente significativos. O protocolo descrito aqui fornece instruções passo a passo para a aquisição de imagens NM-MRI de boa qualidade do SN, incluindo a colocação do volume NM-MRI e verificações de controle ...

A neuromelanina (NM) é um pigmento escuro encontrado nos neurônios dopaminérgicos da substância negra (SN) e nos neurônios noradrenérgicos do locus coeruleus (LC)1,2. A NM é sintetizada pela oxidação ferro-dependente da dopamina citosólica e da norepinefrina e é armazenada em vacúolos autofágicos no soma3. Aparece pela primeira vez em humanos por volta dos 2-3 anos de idade e se acumula com a idadede 1,4,5.
Dentro dos vacúolos contendo NM dos neurônios SN e LC, o NM forma complexos com ferro. Esses complexos NM-ferro são paramagnéticos, permitindo a visualização não invasiva da NM por meio de ressonância magnética (RM)6,7. As ressonâncias magnéticas (RNM) que podem visualizar a RNM são conhecidas como IRM sensível à NM (NM-MRI) e utilizam efeitos de transferência de magnetização direta ou indireta para fornecer contraste entre regiões com alta concentração de NM (por exemplo, a SN) e a substância branca circundante 8,9.
O contraste de transferência de magnetização é o resultado da interação entre prótons de água ligados macromolecularmente (que são saturados pelos pulsos de transferência de magnetização) e os prótons de água livre circundantes. Na NM-MRI, acredita-se que a natureza paramagnética dos complexos NM-ferro encurta o T1 dos prótons de água livre circundantes, resultando em efeitos reduzidos de magnetização-transferência, de modo que regiões com maior concentração de NM parecem hiperintensas nos exames NM-MRI10. Por outro lado, a substância branca ao redor do SN tem um alto conteúdo macromolecular, resultando em grandes efeitos de magnetização-transferência, de modo que essas regiões parecem hipointensas nos exames de NM-MRI, proporcionando assim alto contraste entre o SN e a substância branca circundante.
No SN, o NM-MRI pode fornecer um marcador de perda de células dopaminérgicas11 e função do sistema dopaminérgico12. Esses dois processos são relevantes para vários transtornos neuropsiquiátricos e são apoiados por um vasto corpo de trabalho clínico e pré-clínico. Por exemplo, anormalidades na função da dopamina têm sido amplamente observadas na esquizofrenia; estudos in vivo utilizando tomografia por emissão de pósitrons (PET) mostraram aumento da liberação estriatal de dopamina 13,14,15,16 e aumento da capacidade de síntese de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Além disso, estudos post-mortem mostraram que pacientes com esquizofrenia têm níveis aumentados de tirosina hidroxilase – a enzima limitante da taxa envolvida na síntese de dopamina – nos gânglios da base23 e SN24,25.
Vários estudos investigaram padrões de perda de células dopaminérgicas, particularmente na doença de Parkinson. Estudos post-mortem revelaram que os neurônios dopaminérgicos pigmentados do SN são o principal local de neurodegeneração na doença de Parkinson 26,27, e que, embora a perda de células SN na doença de Parkinson não esteja correlacionada com a perda celular no envelhecimento normal28, está correlacionada com a duração da doença 29 . Ao contrário da maioria dos métodos para investigar o sistema dopaminérgico, a não invasividade, o custo-efetividade e a falta de radiação ionizante fazem da RM-NM um biomarcador versátil30.
O protocolo NM-MRI descrito neste trabalho foi desenvolvido para aumentar a reprodutibilidade da NM-MRI dentro e entre sujeitos. Este protocolo garante a cobertura total do SN, apesar da cobertura limitada dos exames de RM-NM na direção inferior-superior. O protocolo faz uso de imagens sagitais, coronais e tridimensionais (3D) ponderadas em T1 (T1w), e os passos devem ser seguidos para alcançar o posicionamento adequado da pilha de fatias. O protocolo descrito neste trabalho tem sido utilizado em múltiplos estudos31,32 e foi extensivamente testado. Wengler et al. completaram um estudo sobre a confiabilidade desse protocolo no qual as imagens de NM-MRI foram adquiridas duas vezes em cada participante ao longo de vários dias32. Os coeficientes de correlação intraclasse demonstraram excelente confiabilidade teste-reteste deste método para análises baseadas em região de interesse (ROI) e voxelwise, bem como alto contraste nas imagens.

<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

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável (por exemplo, recompensa de aprendizagem e incerteza) e distúrbios neuropsiquiátricos (por exemplo, doença de Parkinson e esquizofrenia). A neuromelanina é um subproduto da síntese de dopamina que se acumula nos neurônios dopaminérgicos da substância negra. A ressonância magnética sensível à neuromelanina (NM-MRI) é um método não invasivo para medir a neuromelanina nesses neurônios dopaminérgicos, fornecendo uma medida direta da perda de células dopaminérgicas na substância negra e uma medida proxy da função da dopamina. Embora a RM-NM tenha se mostrado útil para o estudo de vários distúrbios neuropsiquiátricos, ela é desafiada por um campo de visão limitado na direção inferior-superior, resultando na perda potencial de dados da exclusão acidental de parte da substância negra. Além disso, o campo carece de um protocolo padronizado para a aquisição de dados de NM-MRI, um passo crítico para facilitar estudos multissite em larga escala e tradução para a clínica. Este protocolo descreve um procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI e verificações de controle de qualidade on-line para garantir a aquisição de dados de boa qualidade que cobrem toda a substância substancial.

A Figura 4 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante a cobertura completa do SN, alcançada seguindo a etapa 2 do protocolo descrito na Figura 1, e imagens satisfatórias de NM-MRI seguindo a etapa 3 do protocolo. Excelente contraste entre o SN e as regiões vizinhas da substância branca com concentração insignificante de NM (isto é, crus ...

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

Este protocolo mostra como adquirir dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina da substância negra.

Aquisição de Dados Padronizados para Ressonância Magnética Sensível à Neuromelanina da Substância Negra

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

O protocolo apresenta o primeiro procedimento passo-a-passo padronizado e altamente detalhado para a aquisição de ressonância magnética sensível à neuromelanina. Isso permitirá que o campo compare diretamente os dados entre os locais e combine amostras para validar biomarcadores generalizados. A técnica usa um procedimento de posicionamento detalhado e verificações de controle de qualidade para minimizar a perda de dados.A técnica facilitará estudos em larga escala necessários para desenvolver e validar biomarcadores em distúrbios neuropsiquiátricos, particularmente para o diagnóstico da doença de Parkinson. É útil rever os conceitos básicos em neuroanatomia, como termos para diferentes planos e locais do cérebro que permitem orientar-se, enquanto examina imagens cerebrais no console do scanner. Comece adquirindo uma imagem ponderada em T1 ou T1W de alta resolução de um tamanho máximo de voxel isotrópico de um milímetro que esteja alinhado ao longo da comissura anterior, comissura posterior ou linha AC-PC e da linha média.Imediatamente após a aquisição, realize o alinhamento da imagem T1W de alta resolução através de reformatação online com o software compatível. Carregue as vistas sagital, coronal e axial da imagem T1W alinhada com AC-PC e certifique-se de que as linhas de referência que descrevem a localização de cada fatia exibida estejam presentes. Em seguida, inspecione visualmente as fatias sagitais da imagem reformatada para identificar a imagem sagital que mostra a maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo.Use a imagem sagital para identificar visualmente o plano coronal, delineando o aspecto mais anterior do mesencéfalo. Na imagem coronal, identifique visualmente o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo. Na imagem sagital, alinhe o limite superior do volume da RM-NM ao plano axial identificado anteriormente.Em seguida, mova o limite superior do volume NM-MRI três milímetros na direção superior. Da mesma forma, alinhe o volume da NM-MRI à linha média nas imagens axiais e coronais e adquira as imagens NM-MRI. Realize verificações de controle de qualidade nas imagens NM-MRI adquiridas, garantindo que as imagens cubram toda a substância negra ou SN. Confirme que o SN é visível nas imagens centrais, mas não nas imagens mais superiores ou mais inferiores do volume da RM-NM.Se as imagens de NM-MRI falharem na verificação preliminar de controle de qualidade, repita a aquisição ponderada em T1, o procedimento de colocação de NM-MRI e a aquisição. Em seguida, inspecione visualmente cada fatia da ressonância magnética NM adquirida para verificar se há artefatos. Verifique se há artefatos que passam pelo SN e pela substância branca circundante.Procure mudanças abruptas na intensidade do sinal com um padrão linear que não respeite os limites anatômicos normais. Imagens de NM-MRI com artefatos resultantes de vasos sanguíneos devem ser mantidas, pois esses artefatos provavelmente sempre estarão presentes. Se os artefatos forem devidos ao movimento da cabeça dos participantes ou forem ambíguos, copie a colocação do volume NM-MRI e readquira as imagens NM-MRI.Após a reaquisição, se os artefatos permanecerem presentes, prossiga com essas imagens, pois elas podem ser biológicas e não um resultado de movimento. O protocolo garante a aquisição de imagens satisfatórias de RM-NM com cobertura completa do SN de forma gradual. Na verificação inicial da qualidade das imagens adquiridas, o SN foi visível na fatia mais superior, indicando que a cobertura total do SN não foi alcançada.As imagens falharam na segunda verificação de qualidade devido à presença de artefatos resultantes de vasos sanguíneos, artefatos resultantes de movimento ou artefatos ambíguos. Na análise representativa, são exibidas as imagens satisfatórias de RM-NM da mais inferior para a mais superior. Nas imagens, foi possível observar excelente contraste entre o SN e as regiões vizinhas da substância branca sem concentração de neuromelanina.O procedimento garante que os dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina de boa qualidade sejam adquiridos de forma confiável e repetível. Os dados podem ser usados para investigar de forma não invasiva a perda de células dopaminérgicas em doenças neurodegenerativas.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

Múltiplas mouse-Imagem por Ressonância Magnética neuroanatômicos

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

Neurociência

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De alta resolução funcionais Métodos ressonância magnética para Midbrain Humanos

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

Profiling abrangente do Regulamento dopamina em substância negra e área tegmental ventral

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

O Uso de Espectroscopia de Ressonância Magnética como ferramenta para a Medição do Bi-hemisféricas transcranianas Estimulação Elétrica Efeitos sobre Motor Primário Cortex Metabolismo

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

Alta resolução<em&gt; In Vivo</em&gt; Manual Protocolo Segmentação para hipocampo humano subcampos Utilizando Ressonância Magnética 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

De alta resolução de ressonância magnética estrutural do Subcórtex Humano<I&gt; In Vivo</I&gt; E 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

Um protocolo de ressonância magnética para estimativa de tempo de início curso em situações de isquemia Cerebral permanente

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 ...

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Stereological estimativa do número de neurônios Dopaminergic na substância negra do Mouse usando o fracionador óptico e equipamento padrão de microscopia

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

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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

Determinação semi-quantitativa da densidade do neurônio dopaminérgico na Substantia Nigra dos Modelos de Roedores usando análise automatizada de imagem

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