Этот протокол показывает, как получить данные нейромеланин-чувствительной магнитно-резонансной томографии черной субстанции.
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.
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.
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?…
The authors have nothing to disclose.
Д-р Хорга получил поддержку от NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). Д-р Венглер получил поддержку от NIMH (F32-MH125540).
3T Magnetic Resonance Imaging | General Electric | GE SIGNA Premier with 48-channel head coil |