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Quantification of Neuromelanin as a Neuroimaging Biomarker for Parkinson’s Disease

Published online by Cambridge University Press:  10 December 2025

Leroy D’Souza
Affiliation:
Bangalore Medical College and Research Institute, Bengaluru, Karnataka, India
Samanth Mallikarjun
Affiliation:
Karnataka Medical College and Research Institute, Hubballi, Karnataka, India
Albert Stezin*
Affiliation:
Department of Clinical Neurosciences, Centre for Brain Research-Indian Institute of Science, Bengaluru, Karnataka, India
*
Corresponding author: Albert Stezin; Email: stezins@gmail.com
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Abstract

Loss of signals from substantia nigra (SN) and locus coeruleus (LC) on neuromelanin (NM)-sensitive sequences of MRI is reported as a potential biomarker in patients with Parkinson’s disease (PD) and related diseases. This scoping review aims to consolidate current knowledge on MRI techniques to visualize and quantify these signals and their clinical applications in PD. Publicly available databases were searched for original studies using MRI to quantify NM in PD and other related disorders. Different studies were compared based on MRI sequence, quantification techniques and correlations with clinical scores. Furthermore, studies on genetic forms of PD and prodromal PD were also evaluated and compared. The most common MRI sequences used were T1-weighted sequences and gradient echo sequences. Different studies used different quantitative measures such as signal-to-noise ratio, contrast-to-noise ratio and contrast ratio. Morphometric evaluations such as volume and area of the SN and LC signals were also used. Most studies showed evidence of significant difference in the signals in different stages of PD compared to controls both at the SN and LC. There were significant correlations between the SN and LC signals and clinical scores. Hence, quantification of these signals may be reliable in diagnosis and disease monitoring in PD. The relative ease of signal quantification and widespread availability of MRI may make it a quantitative surrogate biomarker.

Résumé

RÉSUMÉ

Quantification de la neuromélanine en tant que biomarqueur de neuroimagerie pour la maladie de Parkinson. La perte de signaux provenant de la substance noire (SN) et du locus cœruleus (LC) sur les séquences sensibles à la neuromélanine lors d’un examen d’IRM est signalée comme un biomarqueur potentiel chez les patients atteints de la maladie de Parkinson (MP) et de maladies apparentées. Cette étude de la portée vise à consolider les connaissances actuelles sur les techniques d’IRM permettant de visualiser et de quantifier ces signaux, ainsi que leurs applications cliniques dans le cas de la MP. À ce sujet, nous avons consulté les bases de données accessibles au public afin de trouver des études originales utilisant les techniques d’IRM pour quantifier la neuromélanine dans la MP et d’autres maladies apparentées. Différentes études ont été comparées entre elles en fonction de la séquence d’IRM, des techniques de quantification et des corrélations avec les scores cliniques. En outre, des études portant sur les formes génétiques de la MP et la MP prodromique ont également été évaluées et comparées entre elles. Les séquences d’IRM les plus couramment utilisées étaient les séquences à pondération T1 et les séquences d’écho de gradient (SEG). Différentes études ont fait appel à différentes mesures quantitatives telles que le rapport signal sur bruit (RSB), le rapport contraste-bruit (RCB) et le rapport de contraste (RC). Des évaluations morphométriques telles que le volume et la surface des signaux de la SN et du LC ont également été utilisées. La plupart des études ont montré, par rapport à des témoins, des différences notables entre les signaux, et ce, à différents stades de la MP, tant au niveau de la SN que du LC. Il existait aussi des corrélations significatives entre les signaux de la SN et du LC et les scores cliniques. Il est donc possible que la quantification de ces signaux soit fiable en vue du diagnostic et du suivi de la MP. Enfin, la relative facilité de quantification des signaux et la grande disponibilité des techniques d’IRM peuvent en faire un biomarqueur quantitatif de substitution.

Information

Type
Review Article
Copyright
© The Author(s), 2025. Published by Cambridge University Press on behalf of Canadian Neurological Sciences Federation
Figure 0

Figure 1. Flow diagram representing database search and selection of studies according to Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses guidelines.

Figure 1

Table 1. Studies assessing neuromelanin in PD and related disorders at substantia nigra and locus coeruleus

Figure 2

Figure 2. Neuromelanin selective 3T MRI of a healthy individual at (A) the substantia nigra and (B) locus coeruleus. Substantia nigra (C) and locus coeruleus (D) of a patient with Parkinson’s disease showing decreased intensity of NM at both regions compared to the healthy control.

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