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

Д-р Хорга получил поддержку от NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Д-р Венглер получил поддержку от NIMH (F32-MH125540).

ПРИМЕЧАНИЕ: Исследование, проведенное для разработки этого протокола, было выполнено в соответствии с руководящими принципами Совета по институциональному обзору Психиатрического института штата Нью-Йорк (IRB #7655). Один субъект был отсканирован для записи видео протокола, и было получе...

Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании и нервно-психических расстройствах. Разработка неинвазивных методов, которые могут быть использованы для многократного исследования дофаминергической системы in vivo, имеет решающее значение для разработки клини?...

Нейромеланин (NM) является темным пигментом, обнаруженным в дофаминергических нейронах черной субстанции (SN) и норадренергических нейронах locus coeruleus (LC)1,2. НМ синтезируется железозависимым окислением цитозольного дофамина и норадреналина и хранится в аутофагических вакуолях в соме3. Впервые он появляется у людей в возрасте около 2-3 лет и накапливается в возрасте 1,4,5 лет.
В NM-содержащих вакуолях нейронов SN и LC NM образует комплексы с железом. Эти комплексы NM-железа являются парамагнитными, что позволяет проводить неинвазивную визуализацию НМ с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ)6,7. МРТ-сканирование, которое может визуализировать НМ, известно как НМ-чувствительная МРТ (НМ-МРТ) и использует либо прямые, либо косвенные эффекты переноса намагниченности для обеспечения контраста между областями с высокой концентрацией НМ (например, SN) и окружающим белым веществом 8,9.
Контраст переноса намагниченности является результатом взаимодействия между макромолекулярными связанными протонами воды (которые насыщаются импульсами переноса намагниченности) и окружающими протонами свободной воды. В NM-MRI считается, что парамагнитная природа комплексов NM-железа укорачиваетT1 окружающих протонов свободной воды, что приводит к снижению эффектов намагниченности-переноса, так что области с более высокой концентрацией NM кажутся гиперинтенсивными на НМ-МРТ-сканировании10. И наоборот, белое вещество, окружающее SN, имеет высокое макромолекулярное содержание, что приводит к большим эффектам намагниченности-переноса, так что эти области кажутся гипоинтенсными на НМ-МРТ-сканировании, обеспечивая тем самым высокий контраст между SN и окружающим белым веществом.
В SN NM-MRI может обеспечить маркер потери дофаминергических клеток11 и функции12 дофаминовой системы. Эти два процесса актуальны для нескольких нервно-психических расстройств и поддерживаются обширным объемом клинической и доклинической работы. Например, нарушения функции дофамина широко наблюдались при шизофрении; Исследования in vivo с использованием позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) показали увеличение стриатального высвобождения дофамина 13,14,15,16 и увеличение способности синтеза дофамина 17,18,19,20,21,22 . Кроме того, посмертные исследования показали, что у пациентов с шизофренией повышен уровень тирозингидроксилазы — фермента, ограничивающего скорость, участвующего в синтезе дофамина — в базальныхганглиях 23 и SN24,25.
В нескольких исследованиях изучались закономерности потери дофаминергических клеток, особенно при болезни Паркинсона. Патологоанатомические исследования показали, что пигментированные дофаминергические нейроны SN являются основным местом нейродегенерации при болезни Паркинсона26,27, и что, хотя потеря клеток SN при болезни Паркинсона не коррелирует с потерей клеток в нормальном возрасте28 лет, она коррелирует с продолжительностью заболевания29 . В отличие от большинства методов исследования дофаминергической системы, неинвазивность, экономическая эффективность и отсутствие ионизирующего излучения делают НМ-МРТ универсальным биомаркером30.
Протокол NM-MRI, описанный в этой статье, был разработан для повышения воспроизводимости NM-MRI как внутри субъекта, так и между субъектами. Этот протокол обеспечивает полное покрытие SN, несмотря на ограниченный охват NM-MRI сканирования в направлении ниже-выше. Протокол использует сагиттальные, корональные и осевые трехмерные (3D) T1-взвешенные (T1w) изображения, и шаги должны быть выполнены для достижения правильного размещения стека срезов. Протокол, изложенный в этой статье, был использован в многочисленных исследованиях31,32 и был тщательно протестирован. Wengler et al. завершили исследование надежности этого протокола, в котором изображения NM-MRI были получены дважды у каждого участника в течение нескольких дней32. Внутриклассовые коэффициенты корреляции продемонстрировали отличную надежность этого метода для анализа интересующих регионов (ROI) и воксельных анализов, а также высокую контрастность изображений.

<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

Дофаминергическая система играет решающую роль в здоровом познании (например, обучение вознаграждению и неопределенность) и нервно-психических расстройствах (например, болезнь Паркинсона и шизофрения). Нейромеланин является побочным продуктом синтеза дофамина, который накапливается в дофаминергических нейронах черной субстанции. Нейромеланин-чувствительная магнитно-резонансная томография (NM-MRI) является неинвазивным методом измерения нейромеланина в этих дофаминергических нейронах, обеспечивая прямую меру потери дофаминергических клеток в черной субстанции и прокси-меру функции дофамина. Хотя было показано, что NM-МРТ полезна для изучения различных нервно-психических расстройств, она оспаривается ограниченным полем зрения в направлении ниже-выше, что приводит к потенциальной потере данных от случайного исключения части черной субстанции. Кроме того, в этой области отсутствует стандартизированный протокол для получения данных НМ-МРТ, что является важным шагом в облегчении крупномасштабных многосайтовых исследований и перевода в клинику. Этот протокол описывает пошаговую процедуру размещения объема NM-MRI и онлайн-проверки качества для обеспечения получения данных хорошего качества, охватывающих всю черную субстанцию.

На рисунке 4 показаны репрезентативные результаты 28-летней участницы без психических или неврологических расстройств. Протокол NM-MRI обеспечивает полное покрытие SN, достигаемое путем выполнения шага 2 протокола, описанного на рисунке 1, и удовлетворитель...

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

Этот протокол показывает, как получить данные нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии черной субстанции.

Стандартизированный сбор данных для нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии Черной субстанции

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

Протокол представляет собой первую стандартизированную и высокодетализированную пошаговую процедуру получения нейромеланин-чувствительной МРТ. Это позволит напрямую сравнивать данные между участками и объединять образцы для проверки обобщенных биомаркеров. Метод использует подробную процедуру размещения и проверки качества для минимизации потери данных.Этот метод будет способствовать крупномасштабным исследованиям, необходимым для разработки и проверки биомаркеров при нервно-психических расстройствах, особенно для диагностики болезни Паркинсона. Полезно рассмотреть основные понятия в нейроанатомии, такие как термины для различных плоскостей и местоположений мозга, которые позволяют ориентироваться, изучая изображения мозга на консоли сканера. Начните с получения изображения с высоким разрешением T1-взвешенного или T1W размером не более одного миллиметра изотропного вокселя, которое выравнивается вдоль передней комиссуры, задней комиссуры или линии AC-PC и средней линии.Сразу после получения выполните выравнивание изображения T1W высокого разрешения с помощью онлайн-переформатирования с помощью совместимого программного обеспечения. Загрузите сагиттальный, корональный и осевой виды изображения T1W, выровненного по AC-PC, и убедитесь, что опорные линии, изображающие местоположение каждого отображаемого фрагмента, присутствуют. Затем визуально осмотрите сагиттальные срезы переформатированного изображения, чтобы определить сагиттальное изображение, показывающее наибольшее расстояние между средним мозгом и таламусом.Используйте сагиттальное изображение, чтобы визуально идентифицировать корональную плоскость, очерчивая самый передний аспект среднего мозга. На корональном изображении визуально определите осевую плоскость, которая очерчивает нижний аспект третьего желудочка. На сагиттальном изображении выровняйте верхнюю границу объема НМ-МРТ к осевой плоскости, определенной ранее.Затем переместите верхнюю границу объема НМ-МРТ на три миллиметра в верхнем направлении. Аналогичным образом, выровняйте объем NM-MRI по средней линии на осевых и корональных изображениях и получите изображения NM-MRI. Выполните проверку качества полученных изображений NM-MRI, убедившись, что изображения охватывают всю черную субстанцию или SN. Убедитесь, что SN виден на центральных изображениях, но не на самых превосходных или самых низких изображениях объема NM-MRI.Если изображения NM-MRI не проходят предварительную проверку качества, повторите Т1-взвешенную процедуру сбора, размещения НМ-МРТ и сбора. Затем визуально осмотрите каждый фрагмент полученного NM-MRI сканирования, чтобы проверить наличие артефактов. Проверьте наличие артефактов, которые проходят через SN и окружающее белое вещество.Ищите резкие изменения интенсивности сигнала с линейной картиной, которая не уважает нормальные анатомические границы. Изображения NM-MRI с артефактами, полученными из кровеносных сосудов, должны быть сохранены, так как эти артефакты, скорее всего, всегда будут присутствовать. Если артефакты вызваны движением головы участников или неоднозначны, скопируйте расположение объема NM-MRI и повторно приобретите изображения NM-MRI.При повторном приобретении, если артефакты остаются, переходите к этим изображениям, поскольку они могут быть биологическими, а не результатом движения. Протокол обеспечивает получение удовлетворительных изображений NM-MRI с полным покрытием SN поэтапно. При первоначальной проверке качества полученных изображений SN был виден в самом превосходном срезе, что указывает на то, что полный охват SN не был достигнут.Изображения не прошли вторую проверку качества из-за наличия артефактов, полученных из кровеносных сосудов, артефактов, возникающих в результате движения, или неоднозначных артефактов. В репрезентативном анализе отображаются удовлетворительные изображения НМ-МРТ от большинства ниже большинства. На изображениях можно было увидеть отличный контраст между SN и соседними областями белого вещества без концентрации нейромеланина.Процедура гарантирует, что данные МРТ хорошего качества, чувствительные к нейромеланину, получены надежным и воспроизводимым способом. Данные могут быть использованы для неинвазивного исследования потери клеток дофамина при нейродегенеративных заболеваниях.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

Несколько мыши нейроанатомической Магнитно-резонансная томография

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

Высокое разрешение функциональной магнитно-резонансной томографии методы по правам мозга

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

Всеобъемлющее Профилирование Допамин регулирование в черной субстанции и вентральной области покрышки

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

Использование магнитно-резонансной спектроскопии как инструмент для измерения Би-полушария транскраниальной электрической стимуляции эффектов на первичной моторной коры обмена веществ

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

Высокое разрешение<em&gt; В Vivo</em&gt; Руководство Сегментация Протокол по населенным гиппокампа подполей Использование 3Т Магнитно-резонансная томография

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

Высокое разрешение Структурная магнитно-резонансная томография в подкорке человека<I&gt; В Vivo</I&gt; И Посмертный

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

Магнитно-резонансная томография протокол для оценки времени начала инсульта в постоянных церебральной ишемии

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

Стереологических Оценка числа дофаминергических нейронов в Substantia мыши, с помощью оптических фракционатор и стандартных микроскопии оборудование

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

Диффузия тензора магнитно-резонансная томография при хроническом сжатии спинного мозга

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

Полу количественное определение плотности дофаминергических нейронов в Чернии субстанции моделей грызунов с использованием автоматизированного анализа изображений

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