Summary

Комплексная Протокол о ручном Сегментация медиальных отделов височных долей структур

Published: July 02, 2014
doi:

Summary

The present work provides a comprehensive set of guidelines for manually tracing the medial temporal lobe (MTL) structures. This protocol can be applied to research involving structural and/or combined structural-functional magnetic resonance imaging (MRI) investigations of the MTL, in both healthy and clinical groups.

Abstract

В настоящем документе описывается комплексный протокол для ручного отслеживания множества областей мозга, состоящий медиальных отделов височных долей (MTL): миндалины, гиппокамп, и связанные с парагиппокампальной регионы (околоносовой, энторинальной и парагиппокампальной собственно). В отличие от большинства других трассировки протоколов, доступных, как правило, сосредоточив внимание на определенных областях MTL (например, миндалины и / или гиппокампа), интегративная перспектива принята руководящих принципов, присутствующих трассировки позволяет четко локализации всех MTL субрегионов. Благодаря интеграции информации из различных источников, в том числе сохранившиеся протоколы трассировки отдельно целенаправленного воздействия на различные MTL структуры, гистологические отчеты и атласы мозга, и с дополнением иллюстративных визуальных материалов, настоящее протокол обеспечивает точное, интуитивное и удобное руководство для понимания MTL анатомия. Потребность в таких принципов трассировкиКроме того, подчеркивается, иллюстрируя возможные различия между автоматическим и ручным протоколов сегментации. Эти знания могут быть применены к исследований с участием не только структурные исследования МРТ, но и структурно-функциональный колокализация и сигнал МРТ извлечение из анатомически определенных трансформирования, у здоровых и клинических групп, так.

Introduction

Медиальных отделов височных долей (MTL), предполагаемый район самом высоком уровне интеграции сенсорной информации 1, был частым предметом целевых анализов. Например, гиппокамп и связанные с ними области парагиппокампальной были широко изучены в исследованиях памяти 2-5. Кроме того, роль миндалевидного тела неоднократно подчеркивается в исследования в области изучения обработку эмоций и эмоций-познания взаимодействия 6-11. В последнее время различные MTL регионы также получили внимание в новой области личности неврологии, которая связывает структуру и функции этих и других областях мозга, чтобы индивидуальные вариации в личностных черт 12. Оценивая анатомию и функцию MTL структур может быть важно для облегчения диагностики дегенеративных заболеваний, где конкретные структурные и функциональные аномалии могут происходить в разных структурах MTL. Например, при болезни Альцгеймера (AD), значительноетрофей энторинальной коре и гиппокампе можно наблюдать 13,14, и атрофия гиппокампа может предсказать переход от легкого когнитивного расстройства до 15 г. н. Автоматические алгоритмы сегментации последнее время стали популярны для сегментации корковых и подкорковых структур, но, как и любой инструмент, эти программы неизбежно возникают ошибки в некоторых случаях. В таких случаях исследователь должен быть оборудован как знания и руководящих принципов, признавших анатомические границы в MTL структур. Тенденция в существующих литературы в том, чтобы против отдельных субрегионов MTL 16-21, со многими протоколами, стремящихся сосредоточиться на гиппокампе 16-19.

В отличие от большинства имеющихся опубликованных принципов для MTL трассировки, Настоящий Протокол предоставляет полный набор руководящих принципов, которые позволяют четкой локализации всех MTL субрегионов. Трассировка руководящие принципы для следующих MTL структур описаны: миндалина (МОЙ), гиппокамп (НС), околоносовых кора (КНР), энторинальной коры (ERC), и парагиппокампальной коры (ПМСП). Эми и ХК прослеживаются сначала, и затем следуют парагиппокампальной извилины (PHG) структур. Обратите внимание, что общий термин ХК используется здесь для обозначения формирования HC, которая охватывает НС надлежащего, в подлежащая ткань, и заднего сегмента ункуса 22-24. Кроме того, обратите внимание, что ПХГ можно разделить на два сегмента, части передней и задней части. В передней части ПХГ, он может быть разделен на боковой и медиальной передней PHG, чьи областях коры соответствуют КНР и ERC, соответственно. ПМСП, кортикальная область задней части ПХГ, соответствует парагиппокампальной коры правильной. По соображениям простоты, мы будем использовать термины КНР и ERC, чтобы обратиться к боковой и медиальной передней PHG, и ПМСП для обозначения задней ПХГ. Segmentation для каждой структуры начинается с грубой локализации передней и задней границ, наряду с другими соответствующими памятников, который затем следуют фактического отслеживания выполненных ломтик-на-ломтик во фронтальной плоскости, в anterior-posterior/rostro-caudal направление. Во всех случаях, сагиттальной и осевые секции внимательно следить, чтобы помочь локализацию анатомических границ и ориентиров.

Потребность в таких принципов розыска также показано на рисунках, отображающих возможные различия между выходе автоматическом и ручном протоколов сегментации. Преимущество протокола, который описывает все MTL структур в текущем визуальном формате, что вариации в анатомии (например, обеспечение борозда [CS] глубина), которые могут повлиять определения границ могут быть описаны в контексте с окружающим анатомия (например, , КНР и ERC медиальной и латеральной границы варьироваться в зависимости от местоположения глубины CS 25 </sдо>). Это может быть не ясно, или понятной для неопытного индикатора или опытный индикатора, которые только следы одного или отдельные структуры, и, насколько нам известно, такой визуально комплексное руководство не существует.

Настоящий протокол является явной представление руководящих принципов, используемых для MTL трассировки в прежнее расследование выявления дифференциальных взносов от MTL субрегионов к памяти повышения эффекта эмоций 26, адаптированы к более высокое разрешение изображения мозга, разрешенных последних событиях в структурной магнитного резонанса (МРТ) . Трассировка показано на сканов, полученных из здоровых добровольцев (женского, в возрасте 24), с помощью сканера 3T MR. Анатомические изображения были приобретены в 3D MPRAGE (TR = 1800 мс; TE = 2,26 мс; FOV = 256 х 256 мм, размер воксел = 1 х 0,5 х 0,5 мм) с углом, параллельно приобретения до AC-ПК. Если данные изображения получены с другой точки зрения приобретения, например, косой ориентации, данные должны быть регridded к параллельно или перпендикулярно ориентации на AC-ПК, так что анатомические описания ориентир перевести соответствующим образом. Изображения были затем переведены в формат NIFTI и вклад в сегментации программного обеспечения 27 для ручного отслеживания. Данные сканирования, используемые в текущем протоколе была собрана в рамках исследования, которое было одобрено Institutional Review Board в и волонтера, предоставленной письменное согласие.

Привлекая информацию из различных отдельными протоколами трассировки для этих структур 18-22,28-31, а также от анатомических анализов и атласов 23,32,33, Настоящий Протокол представляет собой комплексный набор руководящих принципов, которые касаются несоответствия в существующих литературы. Дополненный сопроводительных визуальных материалов, эта работа, как ожидается, способствовать четкое понимание MTL структур, и расшевелить интерес для дальнейших исследований в принятии ручной сегментации, либо в качестве основного метода MTL трассировки или как supplementaМетод ры для автоматической сегментации. Предоставляя точную, интуитивно понятный и удобный путеводитель для понимания MTL анатомию, этот протокол поможет исследователям определить местоположение всех MTL субрегионов, относительно соседних структур, даже если только некоторые MTL структуры специально предназначены для анализа. Это позволит не только повысить точность локализации, но также поможет трейсеры принимать обоснованные решения в случаях морфологической изменчивости, что весьма вероятно, в MTL. Эти руководящие принципы могут быть применены к исследованию с участием структурных и / или функциональных МРТ исследования в MTL, в том числе объемных анализов и мозга обнаружения аномалий, а также локализующих процедур функциональной, анатомических и tractographic анализов, у здоровых групп. В настоящем протокол также может быть использован для информирования сегментацию MTL структур для пациентов (например, больных с атрофией), если основные анатомические ориентиры относительно сохраняется. Трассировка клиническую темуДанные s'-может занять дополнительное время и усилия, в зависимости от тяжести атрофии и / или анатомических изменений.

Это важно учитывать различия между извилин и коры при определении рентабельности инвестиций. Анатомически извилины здесь относится как белого вещества и серого вещества, в то время как кора относится к серое вещество только. В зависимости от предполагаемого использования ROI, сегментация может включать белое вещество или исключить его.

Мы рекомендуем трассировку, которые должны выполняться последовательно, подструктуры по подструктуры, одно полушарие за один раз. Некоторые программные пакеты 34 позволяют для отслеживания границы, описанные на один ломтик для вставки на последующих ломтиками, особенность, которая ускоряет процесс. Это всегда целесообразно, чтобы сослаться на противоположную полушарие по мере необходимости, с целью проверки на соответствие через двух сторон (например, в выявлении анатомические ориентиры). Кроме того, параллельно отслеживание тех же структур в двух полушариис также может быть выполнена. Независимо от того, трассировка последовательный или параллельный, как только процесс будет завершен, трассеры надо проверить и перепроверить конечный результат и внести коррективы по мере необходимости, ссылаясь оба полушария и несколько представлений на самолет. В зависимости от опыта индикатора и разрешения данных изображений, ручная сегментация MTL для здоровых данных, подлежащих может занять от 8-10 часов и более, в случае начинающего трейсера, до 3-4 часов, в Случай опытных один.

Рисунок 1
Рисунок 1. 3D обзор MTL, прослеживается с использованием настоящего протокола. Структуры, показанные здесь, ЭМИ (красный), ХК (синий), КНР (желтый), ERC (розовый), а ПМСП (зеленый) .

Protocol

1. Миндалевидного Передние Ломтики на AMY Определить первый кусочек AMY, в котором изначально появляется Лимен островок, где связь белое вещество между лобной и височной долей непрерывна и видны 30. В корональной зрения, использовать угловую расслоение как нижнебоковой гр?…

Representative Results

Иллюстрация возможные различия между ручной и автоматической сегментации 3D модель ручной сегментации для Эми, HC, КНР, ERC и ПМСП показано на рисунке 1, и сагиттальном разрезе сегментации показано на рисунке 2. Для целей иллюстрации крайние возмо…

Discussion

Традиционно руководство сегментация была считается золотым стандартом многими исследователями. Тем не менее, точное разграничение отдельных структур осложняется весьма переменной морфологии MTL структур, и по обычно слабых МРТ контрастов этих структур против окружающих нервной ткан…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This research was supported by funds to FD. MM was supported by an IGERT Fellowship under National Science Foundation Grant No. 0903622. The authors wish to thank the Dolcos Lab members for assistance with data collection and preparation.

Materials

ITK-SNAP ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah ITK-SNAP v2.2
FSL Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group FSL v4.1
3T Siemens Trio MR Scanner Siemens 3T Trio

Referências

  1. Amaral, D. G. Introduction: what is where in the medial temporal lobe. Hippocampus. 9, 1-6 (1999).
  2. Squire, L. R., Zola-Morgan, S. The medial temporal lobe memory system. Science. 253 (5026), 1380-1386 (1991).
  3. Eichenbaum, H., Otto, T., Cohen, N. J. The hippocampus: what does it do. Behavioral & Neural Biology. 57 (1), 2-36 (1992).
  4. Henke, K., Buck, A., Weber, B., Wieser, H. G. Human hippocampus establishes associations in memory. Hippocampus. 7 (3), 249-256 (1997).
  5. Tulving, E., Markowitsch, H. J. Episodic and declarative memory: role of the hippocampus. Hippocampus. 8 (3), 198-204 (1998).
  6. Dolcos, F., Iordan, A. D., Dolcos, S. Neural correlates of emotion–cognition interactions: a review of evidence from brain imaging investigations. Journal of Cognitive Psychology. 23 (6), 669-694 (2011).
  7. Davidson, R. J., Irwin, W. The functional neuroanatomy of emotion and affective style. Trends in Cognitive Sciences. 3 (1), 11-21 (1999).
  8. Lindquist, K. A., Wager, T. D., Kober, H., Bliss-Moreau, E., Barrett, L. F. The brain basis of emotion: a meta-analytic review. The Behavioral and Brain Sciences. 35 (3), 121-143 (2012).
  9. Phan, K. L., Wager, T., Taylor, S. F., Liberzon, I. Functional neuroanatomy of emotion: a meta-analysis of emotion activation studies in PET and fMRI. Neuroimage. 16 (2), 331-348 (2002).
  10. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19, 513-531 (2003).
  11. Zald, D. H. The human amygdala and the emotional evaluation of sensory stimuli. Brain Research Reviews. 41, 88-123 (2003).
  12. DeYoung, C. G., Hirsh, J. B., Shane, M. S., Papademetris, X., Rajeevan, N., Gray, J. R. Testing predictions from personality neuroscience: brain structure and the big five. Psychological Science. 21 (6), 820-828 (2010).
  13. Visser, P. J., Verhey, F. R., Hofman, P. A., Scheltens, P., Jolles, J. Medial temporal lobe atrophy predicts Alzheimer’s disease in patients with minor cognitive impairment. Journal of Neurology, Neurosurgery, & Psychiatry. 72 (4), 491-497 (2002).
  14. Ezekiel, F., et al. Comparisons between global and focal brain atrophy rates in normal aging and Alzheimer disease. Alzheimer Disease & Associated Disorders. 18 (4), 196-201 (2004).
  15. de Leon, M. J., et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145 (2007).
  16. Boccardi, M., et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. Journal of Alzheimer’s Disease. 26, 61-75 (2011).
  17. Konrad, C., Ukas, T., Nebel, C., Arolt, V., Toga, A. W., Narr, K. L. Defining the human hippocampus in cerebral magnetic resonance images-an overview of current segmentation protocols. Neuroimage. 47 (4), 1185-1195 (2009).
  18. Hasboun, D., et al. MR determination of hippocampal volume: comparison of three methods. American Journal of Neuroradiology. 17 (6), 1091-1098 (1996).
  19. Pantel, J., et al. A new method for the in vivo volumetric measurement of the human hippocampus with high neuroanatomical accuracy. Hippocampus. 10, 752-758 (2000).
  20. Entis, J. J., Doerga, P., Barrett, L. F., Dickerson, B. C. A reliable protocol for the manual segmentation of the human amygdala and its subregions using ultra-high resolution MRI. Neuroimage. 60 (2), 1226-1235 (2012).
  21. Goncharova, I. I., Dickerson, B. C., Stoub, T. R., deToledo-Morrell, L. MRI of human entorhinal cortex: a reliable protocol for volumetric measurement. Neurobiology of Aging. 22, 737-745 (2001).
  22. Watson, C., et al. Anatomic basis of amygdaloid and hippocampal volume measurement by magnetic resonance imaging. Neurology. 42 (9), 1743-1750 (1992).
  23. Duvernoy, H. The human hippocampus: functional anatomy, vascularization, and serial sections with MRI. Third Edition. , (2005).
  24. Amaral, D. G., Witter, M. P. The three-dimensional organization of the hippocampal formation: a review of anatomical data. Neurociência. 31 (3), 571-591 (1989).
  25. Insausti, R., et al. MR volumetric analysis of the human entorhinal, perirhinal, and temporopolar cortices. American Journal of Neuroradiology. 19 (4), 659-671 (1998).
  26. Dolcos, F., LaBar, K. S., Cabeza, R. Interaction between the amygdala and the medial temporal lobe memory system predicts better memory for emotional events. Neuron. 42 (5), 855-863 (2004).
  27. Yushkevich, P. A., et al. User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability. Neuroimage. 31 (3), 1116-1128 (2006).
  28. Bonilha, L., Kobayashi, E., Cendes, F., Li, M. L. Protocol for volumetric segmentation of medial temporal structures using high-resolution 3-D magnetic resonance imaging. Human Brain Mapping. 22 (2), 145-154 (2004).
  29. Bronen, R. A., Cheung, G. Relationship of hippocampus and amygdala to coronal MRI landmarks. Magnetic Resonance Imaging. 9 (3), 449-457 (1991).
  30. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of temporopolar, perirhinal, entorhinal and parahippocampal cortex from high-resolution MR images: considering the variability of the collateral sulcus. Cerebral Cortex. 12 (12), 1342-1353 (2002).
  31. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of hippocampus and amygdala with high-resolution MRI and three-dimensional analysis software: minimizing the discrepancies between laboratories. Cerebral Cortex. 10 (4), 433-442 (2000).
  32. Duvernoy, H. . The human brain: surface, three-dimensional sectional anatomy with MRI, and blood supply. Second Edition. , (1999).
  33. Amaral, D. G., Lavenex, P., et al. . in The hippocampus book. Hippocampal neuroanatomy. , (2006).
  34. Blaizot, X., et al. The human parahippocampal region: I. temporal pole cytoarchitectonic and MRI correlation. Cerebral Cortex. 20 (9), 2198-2212 (2010).
  35. Ding, S. -. L., Van Hoesen, G. W. Borders, extent, and topography of human perirhinal cortex as revealed using multiple modern neuroanatomical and pathological markers. Human Brain Mapping. 31 (9), 1359-1379 (2010).
  36. Ding, S. -. L., Van Hoesen, G. W., Cassell, M. D., Poremba, A. Parcellation of human temporal polar cortex: a combined analysis of multiple cytoarchitectonic, chemoarchitectonic, and pathological markers. The Journal of Comparative Neurology. 514 (6), 595-623 (2009).
  37. Frankó, E., Insausti, A. M., Artacho-Pérula, E., Insausti, R., Chavoix, C. Identification of the human medial temporal lobe regions on magnetic resonance images. Human Brain Mapping. 35 (1), 248-256 (2014).
  38. Lehmann, M., et al. Atrophy patterns in Alzheimer’s disease and semantic dementia: a comparison of FreeSurfer and manual volumetric measurements. Neuroimage. 49 (3), 2264-2274 (2010).
  39. Winterburn, J. L., et al. A novel in vivo atlas of human hippocampal subfields using high-resolution 3T magnetic resonance imaging. Neuroimage. 74, 254-265 (2013).
  40. Malykhin, N. V., Bouchard, T. P., Ogilvie, C. J., Coupland, N. J., Seres, P., Camicioli, R. Three-dimensional volumetric analysis and reconstruction of amygdala and hippocampal head, body and tail. Psychiatry research. Neuroimaging. 155 (2), 155-165 (2007).
  41. Patenaude, B., Smith, S. M., Kennedy, D. N., Jenkinson, M. A Bayesian model of shape and appearance for subcortical brain segmentation. Neuroimage. 56 (3), 907-922 (2011).
  42. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. Neuroimage. 23, (2004).
  43. Woolrich, M. W., et al. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. Neuroimage. 45, (2009).
  44. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Human Brain Mapping. 17 (3), 143-155 (2002).
  45. Morey, R. A., et al. A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes. Neuroimage. 45 (3), 855-866 (2009).
  46. Baldassano, C., Beck, D. M., Fei-Fei, L. Differential connectivity within the parahippocampal place area. Neuroimage. 75, 228-237 (2013).
  47. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 86 (2), 420-428 (1979).
  48. Bland, J. M., Altman, D. G. A note on the use of the intraclass correlation coefficient in the evaluation of agreement between two methods of measurement. Computers in Biology and Medicine. 20, 337-340 (1990).
  49. Yushkevich, P. A., et al. A high-resolution computational atlas of the human hippocampus from postmortem magnetic resonance imaging at 9.4 T. Neuroimage. 44 (2), 385-398 (2009).
check_url/pt/50991?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Moore, M., Hu, Y., Woo, S., O’Hearn, D., Iordan, A. D., Dolcos, S., Dolcos, F. A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. J. Vis. Exp. (89), e50991, doi:10.3791/50991 (2014).

View Video