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 fick stöd från NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Dr Wengler fick stöd från NIMH (F32-MH125540).

OBS: Forskningen som genomfördes för att utveckla detta protokoll utfördes i enlighet med New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board riktlinjer (IRB #7655). Ett ämne skannades för inspelning av protokollvideon och skriftligt informerat samtycke erhölls. Se materialförteckningen för mer information om MR-skannern som används i detta protokoll.
1. Parametrar för MR-förvärv
<ol><li>Förbered dig på att skaffa högupplösta T1w-bilder med hjälp...

Det dopaminerga systemet spelar en avgörande roll i hälsosam kognition och neuropsykiatriska störningar. Utvecklingen av icke-invasiva metoder som kan användas för att upprepade gånger undersöka det dopaminerga systemet in vivo är avgörande för utvecklingen av kliniskt meningsfulla biomarkörer. Protokollet som beskrivs här ger steg-för-steg-instruktioner för att skaffa NM-MRI-bilder av god kvalitet av SN, inklusive placering av NM-MRI-volymen och kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa a...

Neuromelanin (NM) är ett mörkt pigment som finns i dopaminerga neuroner av substantia nigra (SN) och noradrenerga neuroner i locus coeruleus (LC)1,2. NM syntetiseras genom järnberoende oxidation av cytosoliskt dopamin och noradrenalin och lagras i autofagiska vakuoler i soma3. Det förekommer först hos människor runt 2-3 års ålder och ackumuleras medålder 1,4,5.
Inom de NM-innehållande vakuolerna av SN- och LC-neuroner bildar NM komplex med järn. Dessa NM-järnkomplex är paramagnetiska, vilket möjliggör icke-invasiv visualisering av NM med hjälp av magnetisk resonanstomografi (MRI)6,7. MR-skanningar som kan visualisera NM kallas NM-känsliga MRI (NM-MRI) och använder antingen direkta eller indirekta magnetiseringsöverföringseffekter för att ge kontrast mellan regioner med hög NM-koncentration (t.ex. SN) och den omgivande vita substansen 8,9.
Magnetiseringsöverföringskontrast är resultatet av interaktionen mellan makromolekylärbundna vattenprotoner (som är mättade av magnetiseringsöverföringspulserna) och de omgivande fria vattenprotonerna. I NM-MRI antas det att den paramagnetiska naturen hos NM-järnkomplex förkortar T1 för de omgivande fria vattenprotonerna, vilket resulterar i minskade magnetiseringsöverföringseffekter så att regioner med högre NM-koncentration verkar hyperintense på NM-MRI-skanningar10. Omvänt har den vita substansen som omger SN ett högt makromolekylärt innehåll, vilket resulterar i stora magnetiseringsöverföringseffekter så att dessa regioner verkar hypoinenta vid NM-MRI-skanningar, vilket ger hög kontrast mellan SN och omgivande vit substans.
I SN kan NM-MR ge en markör för dopaminerg cellförlust11 och dopaminsystemfunktion12. Dessa två processer är relevanta för flera neuropsykiatriska funktionsnedsättningar och stöds av ett stort antal kliniska och prekliniska arbeten. Till exempel, avvikelser i dopamin funktion har observerats allmänt i schizofreni; in vivo-studier med positronemissionstomografi (PET) har visat ökad striatal dopaminfrisättning 13,14,15,16 och ökad dopaminsynteskapacitet 17,18,19,20,21,22 . Dessutom har obduktionsstudier visat att patienter med schizofreni har ökade nivåer av tyrosinhydroxylas-det hastighetsbegränsande enzymet som är involverat i dopaminsyntesen-i de basala ganglierna23 och SN24,25.
Flera studier har undersökt mönster för dopaminerg cellförlust, särskilt vid Parkinsons sjukdom. Post-mortem-studier har visat att de pigmenterade dopaminerga neuronerna i SN är den primära platsen för neurodegeneration vid Parkinsons sjukdom 26,27, och att medan SN-cellförlust vid Parkinsons sjukdom inte är korrelerad med cellförlust vid normalt åldrande28, är det korrelerat med sjukdomens varaktighet 29 . Till skillnad från de flesta metoder för att undersöka det dopaminerga systemet gör icke-invasivitet, kostnadseffektivitet och brist på joniserande strålning NM-MRI till en mångsidig biomarkör30.
NM-MRI-protokollet som beskrivs i detta dokument utvecklades för att öka både reproducerbarheten av NM-MRI inom ämnet och över ämnet. Detta protokoll säkerställer full täckning av SN trots den begränsade täckningen av NM-MR-skanningar i sämre överlägsen riktning. Protokollet använder sagittala, koronala och axiella tredimensionella (3D) T1-viktade (T1w) bilder, och stegen bör följas för att uppnå korrekt placering av skivstapeln. Protokollet som beskrivs i detta dokument har använts i flera studier31,32 och testades omfattande. slutförde en studie av tillförlitligheten i detta protokoll där NM-MRI-bilder förvärvades två gånger hos varje deltagare under flera dagar32. Korrelationskoefficienter inom klassen visade utmärkt test-retest-tillförlitlighet för denna metod för ROI-baserade och voxelwise-analyser (region of interest), samt hög kontrast i bilderna.

<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 dopaminerga systemet spelar en avgörande roll för hälsosam kognition (t.ex. belöningsinlärning och osäkerhet) och neuropsykiatriska störningar (t.ex. Parkinsons sjukdom och schizofreni). Neuromelanin är en biprodukt av dopaminsyntes som ackumuleras i dopaminerga neuroner i substantia nigra. Neuromelaninkänslig magnetisk resonanstomografi (NM-MRI) är en icke-invasiv metod för att mäta neuromelanin i dessa dopaminerga neuroner, vilket ger ett direkt mått på dopaminerg cellförlust i substantia nigra och ett proxymått på dopaminfunktionen. Även om NM-MRI har visat sig vara användbart för att studera olika neuropsykiatriska störningar, utmanas det av ett begränsat synfält i underlägsen-överlägsen riktning vilket resulterar i potentiell förlust av data från oavsiktlig uteslutning av en del av substantia nigra. Dessutom saknar fältet ett standardiserat protokoll för insamling av NM-MRI-data, ett kritiskt steg för att underlätta storskaliga multisitestudier och översättning till kliniken. Detta protokoll beskriver ett steg-för-steg NM-MRI-volymplaceringsförfarande och online-kvalitetskontrollkontroller för att säkerställa insamling av data av god kvalitet som täcker hela substantia nigra.

Figur 4 visar de representativa resultaten från en 28-årig kvinnlig deltagare utan psykiatriska eller neurologiska störningar. NM-MRI-protokollet säkerställer fullständig täckning av SN, vilket uppnås genom att följa steg 2 i protokollet som beskrivs i figur 1, och tillfredsställande NM-MRI-bilder genom att följa steg 3 i protokollet. Utmärkt kontrast mellan SN och angränsande regioner med vit substans med försumbar NM-koncentration (dvs crus cereb...

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

Detta protokoll visar hur man förvärvar neuromelaninkänsliga magnetiska resonansavbildningsdata från substantia nigra.

Standardiserad datainsamling för neuromelaninkänslig 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., ...

Protokollet presenterar den första standardiserade och mycket detaljerade steg-för-steg-proceduren för att förvärva neuromelaninkänslig MR. Detta gör det möjligt för fältet att direkt jämföra data mellan platser och kombinera prover för att validera generaliserade biomarkörer. Tekniken använder en detaljerad placeringsprocedur och kvalitetskontrollkontroller för att minimera dataförlust.Tekniken kommer att underlätta storskaliga studier som är nödvändiga för att utveckla och validera biomarkörer vid neuropsykiatriska sjukdomar, särskilt för diagnos av Parkinsons sjukdom. Det är användbart att granska de grundläggande begreppen inom neuroanatomi, till exempel termer för olika plan och platser i hjärnan som gör att man kan orientera sig, samtidigt som man undersöker hjärnbilder på skannerkonsolen. Börja med att skaffa en högupplöst T1-viktad eller T1W-bild med en maximal isotrop voxelstorlek på högst en millimeter som är inriktad längs den främre kommissuren, bakre kommissuren eller AC-PC-linjen och mittlinjen.Omedelbart efter förvärvet, utför justeringen av den högupplösta T1W-bilden genom online-omformatering med kompatibel programvara. Ladda sagittal-, koronal- och axiella vyer av den AC-PC-inriktade T1W-bilden och se till att referenslinjerna som visar platsen för varje visad skiva finns. Därefter inspekterar du visuellt sagittalskivorna i den omformaterade bilden för att identifiera den sagittala bilden som visar den största separationen mellan mitten av hjärnan och thalamus.Använd sagittalbilden för att visuellt identifiera koronalplanet och avgränsa den mest främre aspekten av mitten av hjärnan. I koronalbilden identifierar du visuellt det axiella planet som skisserar den underlägsna aspekten av den tredje ventrikeln. På sagittalbilden, justera den överlägsna gränsen för NM-MRI-volymen till det axiella planet som identifierats tidigare.Flytta sedan den överlägsna gränsen för NM-MRI-volymen tre millimeter i överlägsen riktning. På samma sätt justerar du NM-MRI-volymen till mittlinjen i de axiella och koronala bilderna och förvärvar NM-MRI-bilderna. Utför kvalitetskontroller på de förvärvade NM-MRI-bilderna genom att se till att bilderna täcker hela substantia nigra eller SN. Bekräfta att SN är synlig i de centrala bilderna, men inte i de mest överlägsna eller mest sämre bilderna av NM-MRI-volymen.Om NM-MRI-bilderna misslyckas med den preliminära kvalitetskontrollkontrollen, upprepa det T1-viktade förvärvet, NM-MRI-placeringsproceduren och förvärvet. Därefter inspekterar du visuellt varje del av den förvärvade NM-MRI-skanningen för att kontrollera artefakter. Sök efter artefakter som går igenom SN och den omgivande vita substansen.Leta efter plötsliga förändringar i signalintensitet med ett linjärt mönster som inte respekterar normala anatomiska gränser. NM-MR-bilder med artefakter som härrör från blodkärl bör behållas, eftersom dessa artefakter sannolikt alltid kommer att finnas. Om artefakterna beror på deltagarnas huvudrörelse eller är tvetydiga, kopiera NM-MRI-volymplaceringen och förvärva NM-MRI-bilderna igen.Vid återförvärv, om artefakterna förblir närvarande, fortsätt med dessa bilder, eftersom de kan vara biologiska snarare än ett resultat av rörelse. Protokollet säkerställer förvärv av tillfredsställande NM-MRI-bilder med fullständig täckning av SN på ett stegvis sätt. I den första kvalitetskontrollen av förvärvade bilder var SN synlig i den mest överlägsna delen, vilket indikerar att full täckning av SN inte uppnåddes.Bilderna misslyckades med den andra kvalitetskontrollen på grund av närvaron av artefakter som härrör från blodkärl, artefakter som härrör från rörelse eller tvetydiga artefakter. I den representativa analysen visas de tillfredsställande NM-MRI-bilderna från de mest överlägsna till de mest överlägsna. På bilderna kunde utmärkt kontrast mellan SN och angränsande vita substansregioner utan neuromelaninkoncentration ses.Förfarandet säkerställer att neuromelaninkänsliga MR-data av god kvalitet förvärvas på ett tillförlitligt och repeterbart sätt. Data kan användas för att icke-invasivt undersöka dopamincellförlust vid neurodegenerativa sjukdomar.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

Flera-mus neuroanatomiska 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

Högupplösta functional magnetic resonance imaging metoder för Human mitthjärnan

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

Omfattande Profilering av dopamin förordning i substantia nigra och ventrala tegmentumområdet

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

Användning av magnetisk resonansspektroskopi som ett verktyg för mätning av Bi-hemisfären transkraniell elektriska retningar Effekter på Primär 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

Hög upplösning<em&gt; In Vivo</em&gt; Manuell segmente Protocol for Human hippocampus delområden Använda 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

Högupplöst Strukturell Magnetic Resonance Imaging av Human subcortex<I&gt; In Vivo</I&gt; Och 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

En magnetisk resonanstomografi protokoll för Stroke debut tid uppskattning i Permanent Cerebral ischemi

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

Beteendetester uppskattning av dopaminerga Neuron antal mus Substantia Nigra med hjälp av optisk naftafraktioneringskolonn och Standard mikroskopi utrustning

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 resonanstomografi i kronisk Ryggmärgs kompression

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

Semikvantitativ bestämning av dopaminerg neurontäthet i substantia nigra av gnagaremodeller med hjälp av automatiserad bildanalys

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