Summary

高解像度<em>インビボ</em> 3T磁気共鳴画像を用いたヒト海馬サブフィールドのためのマニュアルセグメンテーションプロトコル

Published: November 10, 2015
doi:

Summary

The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.

Abstract

ヒト海馬は広くメモリと正常な脳機能との関連で研究されており、異なる神経精神障害におけるその役割は重く研究されています。多くのイメージング研究は、単一の一体型神経解剖学的構造と海馬を扱うが、それは、実際には、複雑な三次元形状を持つ複数のサブフィールドで構成されています。このように、これらのサブフィールドは、特殊な機能を実行し、示差異なる疾患状態の経過を通して影響を受けることが知られています。磁気共鳴(MR)イメージングは​​、海馬およびそのサブフィールドの形態を調べるための強力なツールとして使用することができます。多くのグループが、サブフィールド画像に高度な画像処理ソフトウェアとハ​​ードウェア(> 3T)を使用します。しかし、この種の技術は、ほとんどの研究および臨床イメージングセンターで容易に利用できない場合があります。このニーズに対処するために、この原稿は完全前後長さをセグメント化するための詳細なステップバイステップのプロトコルを提供海馬とそのサブフィールドの:アンモン角(CA)1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回(DG)、地層radiatum / lacunosum / moleculare(SR / SL / SM)、および海馬台。このプロトコルは、5人の被験者(;年齢29から57、平均37。3F、2M)に適用されています。プロトコルの信頼性は、右または各被験者の左海馬のいずれかをresegmentingとダイスのカッパメトリックを使用してオーバーラップを計算することによって評価されます。 5人の被験者全体でサイコロのカッパ(範囲)を意味している:全体の海馬、0.91(0.90から0.92)。 CA1、0.78(0.77から0.79)。 CA2 / CA3、0.64(0.56から0.73)。 CA4 /歯状回、0.83(0.81から0.85)。地層radiatum / lacunosum / moleculare、0.71(0.68から0.73)。および海馬台0.75(0.72から0.78)。ここで紹介するセグメンテーションプロトコルは、一般的に入手可能なMRツールを使用して、in vivoで海馬と海馬のサブフィールドを研究するための信頼性の高い方法で他の研究室を提供します。

Introduction

海馬はエピソード記憶、空間ナビゲーション、およびその他の認知機能10,31と関連している広く研究されている内側側頭葉構造体です。神経変性およびアルツハイマー病、統合失調症、および双極性障害などの精神神経疾患におけるその役割は十分に文書化4,5,18,24,30です。この原稿の目標は、3Tで取得した高解像度磁気共鳴(MR)画像上のヒト海馬サブフィールドのために、以前に公表された34手動セグメンテーションプロトコルに追加の詳細を提供することを目的とします。また、この原稿を伴うビデオコンポーネントは、独自のデータセットのプロトコルを実装したい研究者へのさらなる支援を提供します。

海馬は、組織学的に調製された死後の試料12,22において観察cytoarchitectonic差に基づいてサブフィールドに分割することができます。このような死後の標本はgrouを定義しますND海馬サブフィールドの同定と研究のための真実。しかし、この種の製剤は、特に病気の集団で、染色のために専門的なスキルや機器を必要とし、固定された組織の利用可能性によって制限されている。in vivoイメージングは、被験者のはるかに大きなプールの利点があり、また、フォローのための機会を提供します研究アップや集団の変化を観察します。それはT2強調に、その信号強度を示したが、インビボ MR画像は細胞密度13を反映し 、それは、単にMR信号強度を用いて、サブフィールドの間に明白な境界を識別することは困難です。このように、MR画像に組織学レベルの詳細を特定するための多くの異なるアプローチが開発されています。

いくつかのグループには、組織学的データセットを再構築し、デジタル化する努力をした後、海馬サブフィールドneuroanatをローカライズするために画像レジストレーション技術と一緒に、これらの再構成を使用していますin vivoでのMR 1,2,8,9,14,15,17,32の大丸有。これはMR画像上に直接組織学的グランドトゥルースのバージョンをマッピングするための有効な手法であるが、この種の再構成が完了するのは困難です。このようなプロジェクトは、完全な内側側頭葉標本、組織学的技術、組織学的処理中のデータ損失、および固定されており、in vivoでの脳の間の基本的な形態学的矛盾の利用可能性によって制限されています。他のグループはに ​​使用されている画像のコントラストの空間的に局所的な違いを視覚化するために、生体内で取得するための努力で高磁場スキャナー(7Tまたは9.4T)を使用するか、または十分に小さい(0.20〜0.35ミリメートル等方性)ボクセルサイズとex vivoで画像をしていますサブフィールド35,37間の境界を推測します。でも7T-9.4Tであり、小ボクセルサイズで、海馬のサブフィールドのcytoarchitectonic特性は表示されません。このように、手動セグメンテーションプロトコルが開発されていますMR画像上の既知の組織学的境界をpproximate。これらのプロトコルは、局所的な画像コントラスト差を解釈し、可視構造に比べて(例えば、直線や角度など)、幾何学的ルールを定義することで、サブフィールドの境界を決定します。高電界強度で撮影された画像は、海馬のサブフィールドに詳細な洞察を提供することができますが、7Tと9.4Tのプロトコルが現在適用が限られているので、高磁場スキャナは、まだ臨床又は研究の設定では一般的ではありません。同様のプロトコルは、3Tと4Tスキャナ11,20,21,23,24,25,28,33に収集した画像のために開発されています。これらのプロトコルの多くは、前頭面におけるサブ1ミリメートルのボクセルのボクセルの大きさの画像に基づいていますが、大きなスライス厚(0.8〜3ミリメートル)11,20,21,23,25,28,33または大スライス間の距離を持っています個々のサブフィールドのボリュームの推定において重要な測定バイアスの結果、どちらも20,28、。さらに、既存の3Tプロトコルの多く海馬頭や尾20,23,25,33の全部または一部のサブフィールドを除外したり、重要な部分構造( すなわち、CA2 / CA3とDGを組み合わせたり、地層radiatum / lacunosum / moleculareのを含んでいないの詳細なセグメンテーションを提供していませんCA)11,20,21,23,24,25,28,33。確実に臨床と研究の設定で一般的に利用可能なスキャナに基づいている海馬の頭部、胴体、尾部全体に関連するサブフィールドを識別することができ、プロトコルの詳細な説明のための分野で必要とされています。努力が全体の海馬セグメンテーション6のための既存の調和の努力に類似の研究室との間の海馬サブフィールド分割処理を調和させるために、海馬サブフィールドグループ(www.hippocampalsubfields.com)によって現在進行中であり、21既存のプロトコルを比較する最初の論文は、最近38を発表しました。 。このグループからの作業は、さらに最適なセグメンテーションproceを解明しますジャ。

この原稿は、確実に高解像度3T MR画像上Winterburnや同僚34で先に説明した海馬サブフィールド分割プロトコルを実装するための詳細なとビデオ手順を説明します。プロトコルは、全体の海馬のための健康な対照の5つの画像と5海馬のサブフィールド(CA1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回、地層radiatum / lacunosum / moleculare、および海馬台)の上に実装されています。これらのセグメント化された画像は、一般に公開されているオンライン(cobralab.ca/atlases/Hippocampus)にご利用いただけます。プロトコルおよびセグメント化された画像は、MR画像で詳細な海馬の神経解剖学を勉強したいグループのために有用であろう。

Protocol

研究参加者神経学的および神経精神障害と重度の頭部外傷の例がなかった。(年齢29から57、平均37。3F、2M)この原稿内のプロトコルは、健康なボランティアから集めた5代表高解像度画像のために開発されました。すべての被験者は、中毒や精神保健センター(CAMH)で募集しました。研究では、CAMH研究倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言に合わせて実施しまし?…

Representative Results

。プロトコルの信頼性試験の結果を表2に要約されている全体のバイラテラル海馬は、ダイスのカッパによって測定された平均の空間的オーバーラップが0.91であり、0.90の範囲である- 0.92。サブフィールドのカッパ値は0.64(CA2 / CA3)から0.83(CA4 /歯状回)の範囲にあります。全てのサブフィールドと全体の海馬の平均容積を表3に報告されて?…

Discussion

MR画像における海馬サブフィールドの分割は、文献によく表現されています。しかし、既存のプロトコルは、海馬20,23,33,35の一部を除外し、定着画像37にのみ適用され、または画像収集35,37のための超高磁場スキャナーが必要です。この原稿は、海馬には5つの主要な下位区分(CA1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回、SR / SL / SM、および海馬台)を含み、構造の全体の前後長さにまた?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者は、CAMH財団からの支援を確認するためにマイケルとソーニャケルナー、Kimel家族、そしてポール・E.ガーフィンケル新しい研究者のCatalyst賞のおかげたいと思います。このプロジェクトは、フォン・ド・Recherchesサンテケベック、カナダ衛生研究所(CIHR)、自然科学とカナダ、ウェストン脳研究所、カナダのアルツハイマー病協会の工学研究評議会、そしてマイケルJ・フォックス財団によって資金を供給されましたパーキンソン研究(MMC)のためだけでなく、CIHR、オンタリオメンタルヘルス財団、NARSAD、および国立精神衛生研究所(R01MH099167)(ANV)。著者らはまた、画像を取得支援のためanushaにRavichandranに感謝したいと思います。

Materials

Discovery MR750 3T GE NA Or equivalent 3T scanner
Minc Tool Kit McConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological Institute NA Open source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit

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Citar este artigo
Winterburn, J., Pruessner, J. C., Sofia, C., Schira, M. M., Lobaugh, N. J., Voineskos, A. N., Chakravarty, M. M. High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (105), e51861, doi:10.3791/51861 (2015).

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