We presenteren een nieuwe PET-imaging benadering voor het vastleggen van dopamine schommelingen veroorzaakt door het roken van sigaretten. Onderwerpen roken in de PET-scanner. Dynamische PET-beelden worden gemodelleerd voxel-by-voxel in de tijd door lp-ntPET, die een tijdsafhankelijke dopamine term omvat. De resultaten zijn 'films' van dopamine schommelingen in het striatum tijdens het roken.
We beschrijven experimentele en statistische stappen voor het maken dopamine films van de hersenen van dynamische PET data. De films vertegenwoordigen minuut-tot-minuut schommelingen van dopamine veroorzaakt door het roken van een sigaret. De roker wordt afgebeeld tijdens een natuurlijke ervaring met roken, terwijl andere mogelijke verstorende effecten (zoals head-beweging, verwachting, nieuwigheid, of afkeer van herhaaldelijk roken) worden geminimaliseerd.
We presenteren de details van onze unieke analyse. Conventionele methoden voor PET-analyse schatting tijdinvariant kinetisch model parameters die op korte termijn schommelingen in de neurotransmitter vrijgave niet kan vangen. Onze analyse – wat een dopamine film – is gebaseerd op ons werk met kinetische modellen en andere decompositie technieken die het mogelijk maken voor tijdsafhankelijke parameters 1-7. Dit aspect van de analyse – tijd-variatie – is belangrijk voor ons werk. Omdat ons model is ook lineair in de parameters, het is praktisch, computationeel, toe te passen bij The voxel niveau. De analysetechniek bestaat uit vijf belangrijke stappen: pre-processing, modellering, statistische vergelijking, maskeren en visualisatie. Voorbewerking wordt toegepast op de PET gegevens met een unieke 'HYPR' ruimtelijk filter 8 dat ruimtelijke ruis reduceert, maar behoudt kritische temporele informatie. Modellering identificeert de tijdsafhankelijke functie die het beste beschrijft het dopamine effect op 11 C-raclopride opname. De statistische stap vergelijkt de pasvorm van onze (lp-ntPET) model 7 met een conventionele model 9. Maskeren beperkt behandeling aan die voxels best beschreven door het nieuwe model. Visualisatie kaarten de dopamine-functie op elke voxel in een kleurenscala en produceert een dopamine-film. Tussentijdse resultaten en de steekproef dopamine films van het roken van sigaretten worden gepresenteerd.
Ondanks overweldigend bewijs van de medische risico's, het roken van tabak is nog steeds een belangrijk gezondheidsprobleem. Het is gewoon heel moeilijk om te stoppen met roken. Meer dan 20% van de volwassen Amerikaanse bevolking blijft roken en de meeste rokers die proberen om terugval te stoppen binnen de eerste maand 10. Helaas zijn er weinig beschikbare behandelingen om te helpen bij het stoppen met roken en / of te verminderen nicotine afhankelijkheid. In ons lab, zijn we geïnteresseerd in PET beeldvorming met tot verslaving en afhankelijkheid te begrijpen om te helpen bij de ontwikkeling van nieuwe medicijnen voor het stoppen met roken en andere drugsgebruik.
De snelle toename van dopamine in het striatum wordt verondersteld om de verslavende aansprakelijkheid van drugs en gedragingen 11 en de snelle terugkeer van dopamine basislijn coderen kunnen worden over de intrekking en daaropvolgende drug-zoekende. Voor sommige verslavende stoffen en gedrag zoals het roken van sigaretten, de hoogte van het striatum dopamine is een zeer korte levensduur (minuten); the omvang van de stijging is niet groot (1-2X basislijn), en de ruimtelijke omvang van deze reacties kunnen worden beperkt tot kleine subregio's van het striatum.
Dierproeven tonen duidelijk aan dat nicotine veroorzaakt dopamine-afgifte in de nucleus accumbens van ratten 12. Maar vroege pogingen-gebruik van conventionele analyses – om dopamine veranderingen bij mensen te schatten tijdens of na nicotine of roken hebben onbetrouwbare en tegenstrijdige resultaten opgeleverd 13-18. Sommige van deze studies mogen rokers om buiten de scanner te roken. Anderen geleverd alleen nicotine aan het onderwerp. Naar beste studie verslaving aan sigaretten, we wilden een betere beeldvorming protocollen te ontwikkelen en aanvullen met geavanceerde analyses die ons zou toestaan om de reactie van de hersenen op een quasi-natuurlijke rookgedrag vangen.
Positron Emissie Tomografie (PET) is uniek onder hersenscantechnieken in zijn vermogen om de neurochemie van het menselijk brein sonde < em> in vivo. Veel PET tracers bestaan om dopaminereceptoren en velen zijn gevoelig voor concurrentie met endogene dopamine volgen. Helaas, de conventionele methoden van PET beeldanalyse schatten de steady state verhouding van gebonden aan vrije tracer, bekend als bindend potentieel (analoog aan in vitro-methoden), van dynamische PET-beelden. Een schijnbare verandering in de steady state-ratio (bijv. vanaf de basislijn tot het roken conditie) wordt genomen om dopamine verandering aan te geven. Maar de dopamine verandert in verslaving relevant zijn inherent voorbijgaande dus schattingen van een steady-state hoeveelheid zijn gebrekkig. Bovendien is de typische analyse gemiddelden regio-of-interest de tracerconcentratie over grote anatomisch gedefinieerde gebieden en zal waarschijnlijk zeer plaatselijk hersenenreacties missen – zoals we verwachten van het roken van sigaretten. Eerdere PET studies van het roken kunnen ook hebben geleden aan beweging van de hoofden van de rokers tijdens het roken in de scanner.
jove_content "> Functionele MRI (fMRI) biedt de nodige ruimtelijke en temporele resolutie die nodig zou zijn om gebeurtenissen die zich in sub-regio's van het striatum op de minuut tijdschaal maar fMRI mist de moleculaire specificiteit van PET te vangen. De BOLD signaal afgeleid van . veranderingen in de bloedstroom en is daarom neuronaal en moleculair aspecifieke Zo hebben we benut PET – maar op een nieuwe manier Het doel van dit protocol is om de korte-en gelokaliseerde dopamine reacties schatten dat het roken, omdat ze worden verondersteld om de neurochemische manifestatie van ten grondslag liggen. hunkering en drug-zoekend gedrag.Dopamine transiënten die worden gevangen in dynamische PET beelden gemaakt met dopamine-receptor liganden schatten we eerder een reeks van kinetische modellen, gezamenlijk aangeduid als "ntPET" voor neurotransmitter PET 1,5,6,19, die waren gebaseerd op de conventionele twee-weefselcompartiment model, maar werden aangevuld met voorwaarden voor de tijd-variatie in de dopamine en de interactie tussen dopamine en de tracer (concurrentie). Deze modellen zijn gevalideerd tegen een gouden standaard. Concreet hebben we aangetoond dat onze modellen voorspellen dopamine concentraties in de tijd van de PET gegevens bij ratten die zijn in goede overeenstemming met gelijktijdig verworven microdialyse metingen 4,7. Voordelen: De meest recente van onze modellen zijn ofwel lineaire en niet-parametrische (np geweest -ntPET) 1 of lineaire en parametrische (lp-ntPET) 7. Het laatste model is afgeleid van een eerder lineaire model geïntroduceerd door Alpert et al.. 20. Linearisatie is een belangrijke ontwikkeling, want het zorgt ervoor dat de toepassing van de modellen om dynamische gegevens op de voxel niveau is rekenkundig eenvoudig. In een recente proof-of-concept paper, waren we in staat om dopamine films van een mens het uitvoeren van een motorische taak 3 maken en laten zien dat de films waren gevoelig voor de timing van de motorische taak zoals zou worden verwacht. Movies zijn voorstellingen van het tijdsverloop van dopamine niveaus bij elke voxel in een afbeelding. Voxel-by-voxel methoden in PET meestal last van lage signaal-ruisverhouding, dus om het geluid inherent aan voxel-based time-activiteit curves (TAC's) te minimaliseren, een innovatief ruimtelijk filter, 'HYPR', 8 hanteren wij als een pre -verwerkingsstap. Deze stap bewaart belangrijke temporele kenmerken van de responderende voxels terwijl ruis.
Roken is meer dan nicotine levering. Sigaretten bevatten 4.000 chemicaliën naast nicotine. Terwijl de nicotine wordt gedacht dat zij primair verantwoordelijk voor de initiële verslavende effecten, alle andere signalen en sensorische componenten van het roken raken versterken om een gewone roker. We kozen ervoor om het hele gedrag van roken wat betekende dat we nodig hadden om te kunnen image rokers roken terwijl binnen de PET-scanner te bestuderen. Helaas, met het roken komt hoofd beweging. Om het hoofd bewegingsartefacten elimineren in onze beelden, gebruiken we de Vicra motion-volgsysteem (NDI Systems, Waterloo, Canada) en event-by-event beweging correctie, als onderdeel van een iteratief, resolutie herstel reconstructie-algoritme 21.
Onze nieuwe scan-en analysemethoden zijn ontworpen om te wekken en vast te leggen kort en gelokaliseerde dopamine transiënten die de unieke handtekening van de reactie van de hersenen op verslavende drugs en gedragingen zijn. Uitgevoerd voxel-by-voxel, onze modellen produceren een dynamische reeks beelden van striatale dopamine schommelingen – dwz "dopamine-films". Deze films vormen een nieuwe ruimte-tijd biomarker van verslaving en als een directe, multi-dimensionale indicator van het risico op verslaving en / of indicator van werkzaamheid van de behandeling zou kunnen dienen.
Bevindingen in het PET literatuur over de dopamine reactie op roken zijn inconsistent 13-18. Er kunnen vele redenen voor. Verschillende methodologische problemen voordoen met elke poging om het roken van sigaretten. Op zijn minst, moet men kampen met mogelijke beweging artefacten in de data, tweedehands rook blootstelling voor onderzoekers, bescheiden en kortstondige veranderingen in dopamine dat slechts subtiele veranderingen veroorzaken aan de opname en retentie van de tracer, 11 C-raclopride .
Kunstmatige inductie van een sterke en aanhoudende respons van dopamine misschien mogelijk door het toedienen van een IV injectie van een grote dosis nicotine. Echter, zou dit in tegenstelling tot onze onderliggende doelstellingen worden in het creëren van dopamine films van het roken van sigaretten. Onze bedoeling was om zo zorgvuldig mogelijk de dopaminerge reactie op het volledige gedrag van roken. In de verslavingszorg onderzoek, wordt een belangrijk onderscheid gemaakt tussen passief beheervan geneesmiddelen aan een patiënt en zelftoediening. Ons doel was om het zelf-beleid – een roker roken zijn / haar eigen favoriete merk van sigaretten – met het oog op te vangen en karakteriseren de korte dopaminerge reactie op roken. PET analyses doorgaans aangenomen dat de effecten van een geneesmiddel of ander probleem van lange duur ten opzichte van de scan duur. Imaging roken dus vereist innovaties in het modelleren en in experimenten met PET.
Kritische stappen in ons protocol
Faciliteren van het roken in de scanner
Maximaliseren gevoeligheid van 11 C-raclopride opname voor kleine veranderingen in dopamine niveaus
Beperkingen aan de interpretatie van de gepresenteerde resultaat
<ol>Opgemerkt wordt dat de opbouw van een passende sham roken conditie verre van eenvoudig. Voor rokers, kan de loutere daad van het brengen van een onverlichte sigaret om hun mond te belonen en daarmee los dopamine. Zo zou een controle voor beweging, maar niet voor verwachting waarschijnlijk een motor gerichte beweging van vergelijkbare inspanningen en frequentie nemen trekjes aan een sigaret, maar niet een beweging die niet op enigerlei wijze worden geassocieerd met roken zoals de knop drukken of handmatig object manipulatie .
Toekomst
jove_content "> We hebben een nieuw model van de PET-tracer opname in de aanwezigheid van een korte termijn fluctuaties in endogene neurotransmitter niveau ontwikkeld. Omdat het model is lineair in de parameters, het kan snel en eenvoudig worden berekend op veel voxels. Het eindpunt van de fitting dergelijke een model om de PET gegevens op een voxel-by-voxel basis is een "film". Voor studies met de D2 receptor tracer, 11 C-raclopride, het eindpunt is een dopamine-film. Dopamine is de belangrijkste neurotransmitter die betrokken zijn bij de verwerking van de hersenen van het belonen van stimuli die leidt tot verslaving. Omdat sommige stimuli (met name sigaretten en alcohol) produceren slechts milde en waarschijnlijk kortstondige dopamine verandert, kan de films hun grootste potentieel voor het bestuderen van het misbruik van deze twee stimuli hebben. Als we kunnen gebruik maken van onze dopamine films naar ruimtelijke en temporele patronen van de dopamine-afgifte die indicatief zijn voor de afhankelijkheid of het risico van misbruik te identificeren, dan zijn deze patronen kunnen dienen als markers van de ziekte, het risico van de ziekte, en- Ervan uitgaande dat de patronen zijn omkeerbaar – indicatoren van (farmacologische-of cognitief-) effectiviteit van de behandeling.Er is niets over onze films die hen beperkt tot het dopamine-systeem. Alles wat nodig is is een PET-tracer voor een doelwit van belang dat gevoelig is voor (dat wil zeggen, gemakkelijk verplaatsbaar) schommelingen in de endogene ligand voor dezelfde doelgroep. Tot op heden is er al stoppen vooruitgang te PET tracers die betrouwbaar gevoelig zijn voor andere dan dopamine endogene neurotransmitters te identificeren. Een overzicht van de serotonine literatuur in 2010, bijvoorbeeld, schilderde ontnuchterend beeld van onze huidige beperkte mogelijkheid om afgifte van serotonine te detecteren met PET 32. Onlangs zijn er een aantal bemoedigende ontwikkelingen geweest. Een aantal publicaties gerapporteerd gevoeligheid van serotonine tracers verhogingen endogeen serotonine bij niet-humane primaten 33-36 maar het veld wacht soortgelijke demonstraties in mensen. Zoals we elders hebben besproken <sup> 37, gevoeligheid voor veranderingen in endogene neurotransmitter concentratie lijken te bestaan uit een optimale snelheid van verplaatsing van de receptor in combinatie met een gemak van efflux van de tracer uit weefsel in bloed. Zodra serotonine liganden zijn gevalideerd zijn en op dergelijke eigenschappen hebben, dan serotonine films zal ook mogelijk zijn.
Momenteel zijn de meeste PET studies met receptor-tracers leiden tot de generatie van parametrische beelden. Een afbeelding parametrische is een kaart van een bepaald tracer kinetisch model parameter geëvalueerd bij elke voxel in het object (dat wil zeggen, de hersenen). Toepassing van conventionele modellen zoals SRTM 38,39 of een-of twee-weefselcompartiment model levert parametrische beelden van Ri, regionale stroombegrenzingparameter of BP, de regionale binding potentiële waarde. Beide parameters zijn fysiologische constanten die worden verondersteld om processen die in steady state vertegenwoordigen. Soms, echter, het systeem en / of het proces van interested zijn wankel. Dat wil zeggen, ze zijn van voorbijgaande aard. Dit is het geval met de kortstondige reactie van dopamine roken van sigaretten. In dergelijke omstandigheden is het niet mogelijk de dopamine voorbijgaande met een beeld parametrische karakteriseren. Noch is het aangewezen de gegevens met een model dat strikt tijdinvariant in parameters te modelleren. Er is behoefte aan een model met een tijdsafhankelijke termijn dopamine concentraties veranderingen in het striatum beschrijven reactie op roken. De natuurlijke productie van een dergelijk model bij gebruik met een dopamine tracer, is een film van dopamine. Dit is een nieuwe vorm van functionele beelduitgang dat waarschijnlijk zal aansporen en vereisen nieuwe vormen van analyse om zijn nut te maximaliseren.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs danken de leden van de Yale PET Centrum chemie team voor tracer synthese, de imaging-team voor tracer injectie en beeldacquisitie en mevrouw Sheila Huang voor deskundig stroomschema design.
Veel van de ontwikkeling van de ntPET technieken werd ondersteund door R21 AA15077 om E. Morris. K. Cosgrove wordt ondersteund door K02 DA031750.
Name of Reagent/Material | Company | Catalog Number | Comments |
Vicra | NDI Systems, Waterloo, Canada | ||
HRRT | Siemens | ||
Air Filter | Movex, Inc, Northampton, PA | LFK 175 | With extractor and clear hood |
11C-raclopride | prepared at Yale PET Center from O-Desmethyl precursor | ||
O-Desmethylraclopride | ABX advanced biochemical compounds, Radeberg, Germany | Product #1510 | Precursor of 11C-raclopride |
Table 1. Materials used. |