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

El Dr. Horga recibió apoyo del NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). El Dr. Wengler recibió apoyo del NIMH (F32-MH125540).

NOTA: La investigación realizada para desarrollar este protocolo se realizó de acuerdo con las pautas de la Junta de Revisión Institucional del Instituto Psiquiátrico del Estado de Nueva York (IRB # 7655). Un sujeto fue escaneado para grabar el video de protocolo, y se obtuvo el consentimiento informado por escrito. Consulte la Tabla de materiales para obtener detalles sobre el escáner de resonancia magnética utilizado en este protocolo.
1. Parámetros de adquisición de M...

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable y los trastornos neuropsiquiátricos. El desarrollo de métodos no invasivos que puedan utilizarse para investigar repetidamente el sistema dopaminérgico in vivo es fundamental para el desarrollo de biomarcadores clínicamente significativos. El protocolo descrito aquí proporciona instrucciones paso a paso para adquirir imágenes de RMN de buena calidad del SN, incluida la colocación del volumen de RMN-NM y controles de control de cal...

La neuromelanina (NM) es un pigmento oscuro que se encuentra en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra (SN) y en las neuronas noradrenérgicas del locus coeruleus (LC)1,2. La NM se sintetiza por la oxidación dependiente del hierro de la dopamina citosólica y la norepinefrina y se almacena en vacuolas autofágicas en el soma3. Aparece por primera vez en humanos alrededor de los 2-3 años de edad y se acumulacon la edad 1,4,5.
Dentro de las vacuolas que contienen NM de las neuronas SN y LC, la NM forma complejos con hierro. Estos complejos NM-hierro son paramagnéticos, permitiendo la visualización no invasiva de NM mediante resonancia magnética (RM)6,7. Las imágenes por resonancia magnética que pueden visualizar NM se conocen como MRI sensibles a NM (NM-MRI) y utilizan efectos de transferencia de magnetización directa o indirecta para proporcionar contraste entre regiones con alta concentración de NM (por ejemplo, el SN) y la sustancia blanca circundante 8,9.
El contraste de transferencia de magnetización es el resultado de la interacción entre protones de agua unidos a macromoleculares (que están saturados por los pulsos de transferencia de magnetización) y los protones de agua libre circundantes. En NM-MRI, se cree que la naturaleza paramagnética de los complejos NM-hierro acorta el T1 de los protones de agua libre circundantes, lo que resulta en efectos reducidos de magnetización-transferencia, de modo que las regiones con mayor concentración de NM aparecen hiperintensas en las exploraciones NM-MRI10. Por el contrario, la sustancia blanca que rodea el SN tiene un alto contenido macromolecular, lo que resulta en grandes efectos de magnetización-transferencia, de modo que estas regiones aparecen hipointensas en las exploraciones NM-MRI, proporcionando así un alto contraste entre el SN y la sustancia blanca circundante.
En el SN, la RMN-MRI puede proporcionar un marcador de pérdida de células dopaminérgicas11 y función del sistema dopaminérgico12. Estos dos procesos son relevantes para varios trastornos neuropsiquiátricos y están respaldados por un vasto cuerpo de trabajo clínico y preclínico. Por ejemplo, las anomalías en la función de la dopamina se han observado ampliamente en la esquizofrenia; estudios in vivo que utilizan tomografía por emisión de positrones (PET) han demostrado un aumento de la liberación de dopamina estriatal 13,14,15,16 y un aumento de la capacidad de síntesis de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Además, los estudios post mortem han demostrado que los pacientes con esquizofrenia han aumentado los niveles de tirosina hidroxilasa, la enzima limitante de la velocidad involucrada en la síntesis de dopamina, en los ganglios basales23 y SN24,25.
Varios estudios han investigado los patrones de pérdida de células dopaminérgicas, particularmente en la enfermedad de Parkinson. Estudios post mortem han revelado que las neuronas dopaminérgicas pigmentadas del SN son el sitio primario de neurodegeneración en la enfermedad de Parkinson 26,27, y que, mientras que la pérdida de células SN en la enfermedad de Parkinson no se correlaciona con la pérdida celular en el envejecimiento normal28, se correlaciona con la duración de la enfermedad 29 . A diferencia de la mayoría de los métodos para investigar el sistema dopaminérgico, la no invasividad, la rentabilidad y la falta de radiación ionizante hacen de NM-MRI un biomarcador versátil30.
El protocolo de RMN-NM descrito en este documento se desarrolló para aumentar la reproducibilidad de la RMN-NM tanto dentro del sujeto como entre sujetos. Este protocolo garantiza una cobertura completa del SN a pesar de la cobertura limitada de las exploraciones NM-MRI en la dirección inferior-superior. El protocolo utiliza imágenes tridimensionales (3D) ponderadas en T1 (T1w) sagitales, coronales y axiales, y se deben seguir los pasos para lograr la colocación adecuada de la pila de cortes. El protocolo descrito en este trabajo ha sido utilizado en múltiples estudios31,32 y fue ampliamente probado. Wengler et al. completaron un estudio de la fiabilidad de este protocolo en el que las imágenes de RMN-MRI fueron adquiridas dos veces en cada participante en varios días32. Los coeficientes de correlación intraclase demostraron una excelente fiabilidad test-retest de este método para los análisis basados en regiones de interés (ROI) y voxelwise, así como un alto contraste en las imágenes.

<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

El sistema dopaminérgico juega un papel crucial en la cognición saludable (por ejemplo, aprendizaje de recompensa e incertidumbre) y trastornos neuropsiquiátricos (por ejemplo, enfermedad de Parkinson y esquizofrenia). La neuromelanina es un subproducto de la síntesis de dopamina que se acumula en las neuronas dopaminérgicas de la sustancia negra. La resonancia magnética sensible a la neuromelanina (NM-MRI) es un método no invasivo para medir la neuromelanina en esas neuronas dopaminérgicas, proporcionando una medida directa de la pérdida de células dopaminérgicas en la sustancia negra y una medida indirecta de la función de la dopamina. Aunque se ha demostrado que la RMN-NM es útil para estudiar diversos trastornos neuropsiquiátricos, se ve desafiada por un campo de visión limitado en la dirección inferior-superior, lo que resulta en la pérdida potencial de datos por la exclusión accidental de parte de la sustancia negra. Además, el campo carece de un protocolo estandarizado para la adquisición de datos de NM-MRI, un paso crítico para facilitar estudios multicéntricos a gran escala y su traducción a la clínica. Este protocolo describe un procedimiento paso a paso de colocación de volumen NM-MRI y controles de calidad en línea para garantizar la adquisición de datos de buena calidad que cubran toda la sustancia negra.

La Figura 4 muestra los resultados representativos de una participante femenina de 28 años sin trastornos psiquiátricos o neurológicos. El protocolo NM-MRI garantiza una cobertura completa del SN, lograda siguiendo el paso 2 del protocolo descrito en la Figura 1, e imágenes satisfactorias de NM-MRI siguiendo el paso 3 del protocolo. Se puede observar un excelente contraste entre el SN y las regiones vecinas de sustancia blanca con una concentración insignif...

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

Este protocolo muestra cómo adquirir datos de imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra.

Adquisición estandarizada de datos para imágenes de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de la sustancia negra

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

El protocolo presenta el primer procedimiento paso a paso estandarizado y altamente detallado para adquirir MRI sensible a la neuromelanina. Esto permitirá que el campo compare directamente los datos entre los sitios y combine muestras para validar biomarcadores generalizados. La técnica utiliza un procedimiento de colocación detallado y controles de calidad para minimizar la pérdida de datos.La técnica facilitará los estudios a gran escala necesarios para desarrollar y validar biomarcadores en trastornos neuropsiquiátricos, particularmente para el diagnóstico de la enfermedad de Parkinson. Es útil revisar los conceptos básicos de la neuroanatomía, como los términos para diferentes planos y ubicaciones del cerebro que permiten orientarse, mientras se examinan las imágenes cerebrales en la consola del escáner. Comience adquiriendo una imagen de alta resolución ponderada en T1 o T1W de un tamaño máximo de vóxel isótropo de un milímetro que esté alineado a lo largo de la comisura anterior, la comisura posterior o la línea AC-PC y la línea media.Inmediatamente después de la adquisición, realice la alineación de la imagen T1W de alta resolución a través del reformateo en línea con el software compatible. Cargue las vistas sagital, coronal y axial de la imagen T1W alineada con AC-PC y asegúrese de que las líneas de referencia que representan la ubicación de cada sector mostrado estén presentes. A continuación, inspeccione visualmente los cortes sagitales de la imagen reformateada para identificar la imagen sagital que muestra la mayor separación entre el cerebro medio y el tálamo.Utilice la imagen sagital para identificar visualmente el plano coronal, delineando el aspecto más anterior del cerebro medio. En la imagen coronal, identifique visualmente el plano axial que delinea el aspecto inferior del tercer ventrículo. En la imagen sagital, alinee el límite superior del volumen de NM-MRI con el plano axial identificado anteriormente.Luego, mueva el límite superior del volumen de NM-MRI tres milímetros en la dirección superior. Del mismo modo, alinee el volumen de NM-MRI con la línea media en las imágenes axiales y coronales y adquiera las imágenes de NM-MRI. Realice controles de calidad en las imágenes de NM-MRI adquiridas asegurándose de que las imágenes cubran toda la sustancia negra o SN. Confirme que el SN es visible en las imágenes centrales, pero no en las imágenes más superiores o más inferiores del volumen de NM-MRI.Si las imágenes de RMN-NM no superan la comprobación preliminar de control de calidad, repita la adquisición ponderada en T1, el procedimiento de colocación de la RMN-NM y la adquisición. A continuación, inspeccione visualmente cada porción de la exploración NM-MRI adquirida para verificar si hay artefactos. Compruebe si hay artefactos que atraviesan el SN y la materia blanca circundante.Busque cambios bruscos en la intensidad de la señal con un patrón lineal que no respete los límites anatómicos normales. Se deben conservar las imágenes de NM-MRI con artefactos resultantes de los vasos sanguíneos, ya que lo más probable es que estos artefactos siempre estén presentes. Si los artefactos se deben al movimiento de la cabeza de los participantes o son ambiguos, copie la colocación del volumen de NM-MRI y vuelva a adquirir las imágenes de NM-MRI.Tras la readquisición, si los artefactos permanecen presentes, proceda con estas imágenes, ya que podrían ser biológicas en lugar de ser el resultado del movimiento. El protocolo garantiza la adquisición de imágenes NM-MRI satisfactorias con una cobertura completa del SN de manera gradual. En el control de calidad inicial de las imágenes adquiridas, el SN era visible en el segmento más superior, lo que indica que no se logró una cobertura completa del SN.Las imágenes no pasaron el segundo control de calidad debido a la presencia de artefactos resultantes de vasos sanguíneos, artefactos resultantes del movimiento o artefactos ambiguos. En el análisis representativo, se muestran las imágenes satisfactorias de NM-MRI de más inferior a más superior. En las imágenes, se pudo ver un excelente contraste entre el SN y las regiones vecinas de sustancia blanca sin concentración de neuromelanina.El procedimiento garantiza que los datos de resonancia magnética sensibles a la neuromelanina de buena calidad se adquieran de manera confiable y repetible. Los datos se pueden utilizar para investigar de forma no invasiva la pérdida de células de dopamina en enfermedades neurodegenerativas.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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