Summary

ברזולוציה גבוהה<em> In vivo</em> פרוטוקול פילוח ידני לאדם בהיפוקמפוס תת תחומים באמצעות הדמיה בתהודה מגנטית 3T

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

ההיפוקמפוס האדם נחקר בהרחבה בהקשר של זיכרון ותפקוד התקין של המוח ותפקידה בהפרעות נוירו-פסיכיאטריות שונות נחקר בכבדות. בעוד שמחקרי הדמיה רבים לטפל בהיפוקמפוס כמבנה neuroanatomical אחיד אחת, זה הוא, למעשה, מורכב מכמה תתי תחומים שיש להם גיאומטריה תלת-ממדית מורכבת. ככזה, הוא ידוע כי תת תחומים אלה לבצע פעולות מיוחדות ומושפעים באופן דיפרנציאלי בקורס של מדינות מחלה שונות. הדמיה בתהודה מגנטית (MR) יכולה לשמש ככלי רב עוצמה כדי לחקור את המורפולוגיה של ההיפוקמפוס ותת תחומיה. קבוצות רבות משתמשות בתוכנת הדמיה מתקדמת וחומרה (> 3T) לתמונה תת תחומים; עם זאת סוג זה של טכנולוגיה לא יכול להיות זמין ברוב מרכזי מחקר והדמיה קלינית. כדי לענות על צורך זה, כתב היד הזה מספק פרוטוקול צעד-אחר-צעד מפורט לפילוח האורך הקדמי, אחורי המלאשל ההיפוקמפוס ותת תחומיה: קורנו ammonis (CA) 1, Ca 2 / CA3, CA4 / gyrus המשונן (DG), radiatum / lacunosum / moleculare שכבות (SR / SL / SM), וsubiculum. פרוטוקול זה יושם עד חמישה נושאים (3F, 2M, גיל 29-57, ממוצע 37.). אמינות פרוטוקול נבחנת על ידי resegmenting ימין או שמאל של ההיפוקמפוס כל נושא והמחשוב החפיפה באמצעות מדד Kappa של הקוביות. אומר קאפה של הקוביות (טווח) על פני חמישה הנושאים הם: כל ההיפוקמפוס, 0.91 (0.90-.92); CA1, 0.78 (.77-0.79); Ca 2 / CA3, 0.64 (0.56-.73); CA4 / gyrus המשונן, 0.83 (.81-0.85); radiatum / lacunosum / moleculare שכבות, 0.71 (0.68-.73); וsubiculum 0.75 (.72-.78). פרוטוקול הפילוח מוצג כאן מספק מעבדות אחרות עם שיטה אמינה ללמוד ההיפוקמפוס ותת תחומים בהיפוקמפוס בvivo באמצעות כלים MR זמינים בדרך כלל.

Introduction

ההיפוקמפוס הוא מבנה נחקר באופן נרחב המדיאלי זמני אונה המשויך לזיכרון אפיזודי, ניווט במרחב, ותפקודים קוגניטיביים אחרים 10,31. תפקידה בהפרעות ניווניות ונוירו-פסיכיאטריות כגון של מחלת אלצהיימר, סכיזופרניה, הפרעה דו קוטבית ומתועד היטב 4,5,18,24,30. המטרה של כתב היד הזה היא לספק פרטים נוספים לפרוטוקול הפילוח הידני שפורסם בעבר 34 לתת תחומים בהיפוקמפוס אדם בתמונות ברזולוציה גבוהה בתהודה מגנטית (MR) רכשו ב3T. בנוסף, רכיב הווידאו הנלווה כתב היד הזה יספק סיוע נוסף לחוקרים המבקשים ליישם את הפרוטוקול על מערכי נתונים שלהם.

ההיפוקמפוס ניתן לחלק את תת תחומים המבוססים על הבדלי cytoarchitectonic נצפו שלאחר המוות בהכין-היסטולוגית דגימות 12,22. דגימות שלאחר המוות כזה להגדיר grouND אמת לזיהוי ולמחקר של תת תחומים בהיפוקמפוס; עם זאת הכנות מסוג זה דורשים כישורים מיוחדים וציוד לצביעה, ומוגבלות על ידי הזמינות של רקמה קבועה, במיוחד באוכלוסיות חולות. יש הדמיה vivo היתרון של בריכה הרבה יותר גדולה של נושאים, וגם מציגה את ההזדמנות להמשך על לימודים ושינויי התבוננות באוכלוסיות. למרות שהוכח כי עוצמות אות בתמונות MR vivo משוקללות-T2 לשעבר משקף צפיפות סלולרית 13, זה עדיין קשה לזהות גבולות הבלתי מעורער בין תת תחומים באמצעות אך ורק בעוצמות אות MR. ככזה, מספר גישות שונות לזיהוי פרטים ברמת היסטולוגיה על תמונות MR פותחו.

חלק מהקבוצות עשו מאמצים כדי לשחזר ועברו דיגיטציה מערכי נתונים היסטולוגית ולאחר מכן להשתמש בשחזורים אלה יחד עם טכניקות רישום תמונה למקם neuroanat subfield בהיפוקמפוסomy על in vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. אמנם זה טכניקה יעילה למיפוי גרסה של אמת הקרקע היסטולוגית ישירות על גבי תמונות MR, שחזורים מסוג זה הם קשים כדי להשלים. פרויקטים כגון אלה מוגבלים בזמינות של דגימות שלמות המדיאלי זמניות אונה, טכניקות היסטולוגית, אובדן נתונים במהלך עיבוד היסטולוגית, וחוסר עקביות מורפולוגיים המהותית בין מוח vivo הקבוע וב. קבוצות אחרות השתמשו סורקים גבוה שדה (7T או 9.4T) במאמץ לרכוש in vivo או vivo לשעבר תמונות עם קטן מספיק גודל voxel (איזוטרופיים .20-0.35 מ"מ) כדי להמחיש מקומיות מרחבית הבדלים בניגוד תמונה המשמשים ל להסיק גבולות בין תת תחומים 35,37. אפילו ב7T-9.4T ועם גודל voxel קטן כזה, מאפייני cytoarchitectonic של תת תחומים בהיפוקמפוס אינם גלויים. ככזה, פרוטוקולי פילוח ידניים פותחו שpproximate הגבולות היסטולוגית הידועים על תמונות MR. פרוטוקולים אלה לקבוע גבולות תת שדה על ידי פירוש הבדלים לעומת תמונה מקומיים והגדרת כללים גיאומטריים (כגון קווים ישרים וזוויות) ביחס למבנים גלויים. למרות שתמונות שצולמו בעוצמת שדה גבוהה יכולות להציע תובנה מפורטת לתוך תת תחומים בהיפוקמפוס, סורקים גבוה שדה עדיין לא נפוצים במסגרות קליניות או מחקר, כך פרוטוקולי 7T ו9.4T כיום יש תחולה מוגבלות. פרוטוקולים דומים פותחו עבור תמונות שנאספו על סורקי 3T 4T ו11,20,21,23,24,25,28,33. רבים מפרוטוקולים אלה מבוססים על תמונות עם ממדי voxel voxels תת-1 מ"מ במישור העטרה, אבל יש לי עוביים גדולים פרוסה (.8-3 מ"מ) 11,20,21,23,25,28,33 או מרחקים בין-פרוסה גדולות 20,28, אשר שניהם לגרום להטיה משמעותית במדידה להערכת כמויות של תת תחומים הבודדים. בנוסף, רב של פרוטוקולי 3T הקיימיםלכלול תת תחומים בחלק של הראש או זנב 20,23,25,33 היפוקמפוס או כל או לא מספקים פילוחים מפורטים של substructures החשוב (כלומר, לשלב DG עם Ca 2 / CA3 או אינו כולל את שכבות radiatum / lacunosum / moleculare של CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. יש אפוא צורך בתחום לתיאור מפורט של פרוטוקול שיכול באופן מהימן לזהות תת תחומים רלוונטיים לאורך כל הראש, הגוף והזנב של ההיפוקמפוס, המבוסס על סורק זמין בדרך כלל במסגרות קליניות ומחקר. נעשה מאמצים כיום על ידי הקבוצה בהיפוקמפוס תת תחומים (www.hippocampalsubfields.com) כדי לאזן את תהליך פילוח subfield היפוקמפוס בין מעבדות, דומה למאמץ הקיים הרמוניזציה לפילוח בהיפוקמפוס כל 6, ונייר ראשוני השוואת 21 פרוטוקולים קיימים היה לאחרונה פרסם 38 . העבודה מקבוצה זו תהיה עוד יותר להבהיר proce פילוח האופטימליdures.

כתב יד זה מספק הוראות וידאו כתובים ומפורטות ליישום באופן מהימן את פרוטוקול פילוח subfield בהיפוקמפוס שתואר קודם לכן על ידי Winterburn ועמיתים 34 ברזולוציה גבוהה תמונות 3T MR. הפרוטוקול מיושם על חמש תמונות של בקרות בריאים לכל ההיפוקמפוס וחמישה תתי תחומים בהיפוקמפוס (CA1, Ca 2 / CA3, CA4 / gyrus המשונן, radiatum / lacunosum / moleculare שכבות, וsubiculum). תמונות מפולחות אלה זמינות לציבור באינטרנט (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). הפרוטוקול והתמונות מפולחות יהיו שימושיים עבור קבוצות שרוצים ללמוד הנוירואנטומיה היפוקמפוס מפורטת בתמונות MR.

Protocol

משתתפי מחקר הפרוטוקול בכתב היד הזה פותח במשך חמש תמונות נציג ברזולוציה גבוהה שנאספו ממתנדבים בריאים (3F, 2M, גיל 29-57, ממוצע 37.) שהיו ללא הפרעות ומקרים של חבלת ראש חמור נוירולוגיות ונוירו-פסיכיאטריות. כל הנושאים גויסו במרכז להתמכרויות …

Representative Results

. תוצאות מהבדיקה אמינות פרוטוקול מסוכמות בטבלה 2 לכל ההיפוקמפוס דו-צדדי, כלומר חפיפה מרחבית כפי שנמדדו על ידי kappa של הקוביות הוא 0.91 וטווחים 0.90-0.92. ערכי קאפה subfield נעים בין 0.64 (Ca 2 / CA3) ל0.83 (CA4 / gyrus המשונן). כרכים ממוצעים לכל תת תחומים וכל ההיפוקמפוס מדווחים בטבל…

Discussion

פילוח subfield היפוקמפוס בתמונות MR הוא-מיוצג היטב בספרות. עם זאת, פרוטוקולים קיימים לכלול חלקים של 20,23,33,35 ההיפוקמפוס, חלים רק על תמונות קבועות 37, או לדרוש סורקי שדה גבוהים במיוחד לרכישת תמונה 35,37. כתב יד זה מציע פרוטוקול פילוח הכולל חמש יחידות משנה עיקריו…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

המחברים מבקשים להודות תמיכת קרן CAMH, הודות למייקל וסוניה Koerner, משפחת קימל, וניו חוקר Catalyst פרס פול א גרפינקל. פרויקט זה מומן על ידי חטיבות דה סנטה Recherches קוויבק, המכון הקנדי לחקר בריאות (CIHR), מדעי הטבע והנדסת מועצת מחקר של קנדה, ווסטון מכון המוח, אגודת האלצהיימר של קנדה, ומייקל ג'יי פוקס הקרן למחקר פרקינסון (MMC), כמו גם CIHR, הקרן לבריאות נפש אונטריו, NARSAD, והמכון הלאומי לבריאות נפש (R01MH099167) (מעיניו כל). המחברים גם רוצים להודות לאנוש ראוויצ'אנדרן לסיוע רכישת התמונות.

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

Referências

  1. Adler, D. H., et al. Reconstruction of the human hippocampus in 3D from histology and high-resolution ex-vivo MRI. IEEE Intl. Symp. on Biomed. Img. , 294-297 (2012).
  2. Adler, D. H., et al. Histology-derived volumetric annotation of the human hippocampal subfields in postmortem MRI. NeuroImage. 84 (1), 505-523 (2014).
  3. Amaral, D. G. A golgi study of cell types in the hilar region of the hippocampus in the rat. J. Comp. Neurol. 182 (4 Pt 2), 851-914 (1978).
  4. Blumberg, H. P., et al. Amygdala and Hippocampal Volumes in Adolescents and Adults With Bipolar Disorder. Arch Gen Psychiatry. 60 (12), 1201-1208 (2003).
  5. Braak, H., Braak, E. Neuropathological stageing of Alzheimer-related changes. Acta Neuropathol . 82 (4), 239-259 (1991).
  6. Boccardi, M., et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. J. Alzheimer’s Dis. 26 (3), 61-75 (2011).
  7. Chakravarty, M. M., et al. Performing label-fusion-based segmentation using multiple automatically generated templates. Hum. Brain Mapp. 34 (10), 2635-2654 (2013).
  8. Chakravarty, M. M., Bertrand, G., Hodge, C. P., Sadikot, A. F., Collins, D. L. The creation of a brain atlas for image guided neurosurgery using serial histological data. NeuroImage. 30 (2), 359-376 (2006).
  9. Collins, D. L., Neelin, P., Peters, T. M., Evans, A. C. Automatic 3D intersubject registration of MR volumetric data in standardized Talairach space. J. Comput. Assist. Tomogr. 18 (2), 192-205 (1994).
  10. Heijer, F. V., et al. Structural and diffusion MRI measures of the hippocampus and memory performance. NeuroImage. 63 (4), 1782-1789 (2012).
  11. Duncan, K., Tompary, A., Davachi, L. Associative encoding and retrieval are predicted by functional connectivity in distinct hippocampal area ca1 pathways. The Journal of Neuroscience. 34 (34), 11188-11198 (2014).
  12. Duvernoy, H. M. . The Human Hippocampus: Functional Anatomy Vascularization, and Serial Sections with MRI. , (2005).
  13. Fatterpekar, G. M., et al. Cytoarchitecture of the human cerebral cortex: MR microscopy of excised specimens at 9.4 Tesla. Am. J. Neuroradiol. 23 (8), 1313-1321 (2002).
  14. Frey, S., Pandya, D. N., Chakravarty, M. M., Bailey, L., Petrides, M., Collins, D. L. An MRI based average macaque monkey stereotaxic atlas and space (MNI monkey space). NeuroImage. 55 (4), 1435-1442 (2011).
  15. Goubran, M., Crukley, C., de Ribaupierre, S., Peters, T. M., Khan, A. R. Image registration of ex-vivo. MRI to sparsely sectioned histology of hippocampal and neocortical temporal lobe specimens. NeuroImage. 83, 770-781 (2013).
  16. Heckemann, R. A., Hajnal, J. V., Aljabar, P., Rueckert, D., Hammers, A. Automatic anatomical brain MRI segmentation combining label propagation and decision fusion. NeuroImage. 33 (1), 115-126 (2006).
  17. Holmes, C. J., Hoge, R., Collins, L., Woods, R., Toga, A. W., Evans, A. C. Enhancement of MR images using registration for signal averaging. J. Comput. Assist. Tomogr. 22 (2), 324-333 (1998).
  18. Karnik-Henry, M. S., Wang, L., Barch, D. M., Harms, M. P., Campanella, C., Csernansky, J. G. Medial temporal lobe structure and cognition in individuals with schizophrenia and in their non-psychotic siblings. Schizophrenia Research. 138 (2-3), 128-135 (2012).
  19. Kim, J. S., et al. Automated 3-D extraction and evaluation of the inner and outer cortical surfaces using a Laplacian map and partial volume effect classification. NeuroImage. 27 (1), 210-221 (2005).
  20. La Joie, R., et al. Differential effect of age on hippocampal subfields assessed using a new high-resolution 3T MR sequence. NeuroImage. 53 (2), 506-514 (2010).
  21. Libby, L. A., Ekstrom, A. D., Ragland, J. D., Ranganath, C. Differential connectivity of perirhinal and parahippocampal cortices within human hippocampal subregions revealed by high-resolution functional imaging. The Journal of Neuroscience. 32 (19), 6550-6560 (2012).
  22. Mai, J. K., Paxinos, G., Voss, T. . Atlas of the Human Brain. , (2008).
  23. Mueller, S. G., et al. Measurement of hippocampal subfields and age-related changes with high resolution MRI at 4T. Neurobiol Aging. 28 (5), 719-726 (2006).
  24. Narr, K. L., et al. Regional specificity of hippocampal volume reductions in first-episode schizophrenia. NeuroImage. 21 (4), 1563-1575 (2004).
  25. Olsen, R. K., Palombo, D. J., Rabin, J. S., Levine, B., Ryan, J. D., Rosenbaum, R. S. Volumetric Analysis of Medial Temporal Lobe Subregions in Development Amnesia using High-Resolution Magnetic Resonance Imaging. Hippocampus. 23 (10), 855-860 (2013).
  26. Park, M. T. M., et al. Derivation of high-resolution MRI atlases of the human cerebellum at 3T and segmentation using multiple automatically generated templates. NeuroImage. 95, 217-231 (2014).
  27. Pipitone, J., et al. Multi-atlas Segmentation of the Whole Hippocampus and Subfields Using Multiple Automatically Generated Templates. NeuroImage. 101, 494-512 (2014).
  28. Pluta, J., Yushkevich, P., Das, S., Wolk, D. In vivo analysis of hippocampal subfield atrophy in mild cognitive impairment via semi-automatic segmentation of T2-weighted MRI.Journal of Alzheimer’s Disease. 31 (1), 85-99 (2012).
  29. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of hippocampus and amygdala with high-resolution MRI and three- dimensional analysis software: minimizing the discrepancies between laboratories. Cereb Cortex. 10 (4), 433-442 (2000).
  30. Sabuncu, M. R., et al. The dynamics of cortical and hippocampal atrophy in Alzheimer disease. Archives of Neurology. 68 (8), 1040-1048 (2011).
  31. Scoville, W. B., Milner, B. Loss of recent memory after bilateral hippocampal lesions. J. Neuropsych. and Clin. Neurosci. 12 (1), 103-113 (1957).
  32. Toga, A. W., Thompson, P. M., Mori, S., Amunts, K., Zilles, K. Towards multimodal atlases of the human brain. Nat. Rev. Neurosci. 7 (12), 952-966 (2006).
  33. van Leemput, K., et al. Automated segmentation of hippocampal subfields from ultra-high resolution in vivo. MRI. Hippocampus. 19 (6), 549-557 (2009).
  34. Winterburn, J. L., et al. A novel in vivo atlas of human hippocampal subfields using high-resolution 3 T magnetic resonance imaging. NeuroImage. 74, 254-265 (2013).
  35. Wisse, L. E. M., Gerritsen, L., Zwanenburg, J. J. M., Kuijf, H. J. Subfields of the hippocampal formation at 7 T MRI: in vivo. volumetric assessment. NeuroImage. 61 (4), 1043-1049 (2012).
  36. Yelnik, J., et al. A three-dimensional, histological and deformable atlas of the human basal ganglia. I. Atlas construction based on immunohistochemical and MRI data. NeuroImage. 34 (2), 618-638 (2007).
  37. 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).
  38. Yushkevich, P. A., et al. Quantitative Comparison of 21 Protocols for Labeling Hippocampal Subfields and Parahippocampal Subregions in In Vivo MRI: Towards a Harmonized Segmentation Protocol. NeuroImage. , (2015).
check_url/pt/51861?article_type=t

Play Video

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).

View Video