Summary

Alta risoluzione<em> In Vivo</em> Manuale Protocollo Segmentazione for Human ippocampale Sottocampi Utilizzando 3T Risonanza Magnetica

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

L'ippocampo umano è stata ampiamente studiata nel contesto della memoria e funzione cerebrale normale e il suo ruolo in diversi disturbi neuropsichiatrici è stato fortemente studiato. Mentre molti studi di imaging trattano l'ippocampo come un'unica struttura neuroanatomica unitaria, è, infatti, costituito da diversi sottocampi che hanno una geometria complessa tridimensionale. Come tale, è noto che questi sottocampi svolgono funzioni specializzate e sono differenzialmente influenzati attraverso il corso di diversi stati patologici. La risonanza magnetica (MR) possono essere utilizzati come un potente strumento per interrogare la morfologia dell'ippocampo e dei suoi sottocampi. Molti gruppi usano software avanzato di imaging e hardware (> 3T) per l'immagine dei sottocampi; tuttavia questo tipo di tecnologia non può essere prontamente disponibili in molti centri di ricerca e di imaging clinico. Per rispondere a questa esigenza, questo manoscritto fornisce un protocollo dettagliato passo-passo per segmentare la lunghezza antero-posterioredell'ippocampo e dei suoi sottocampi: cornu Ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato (DG), strati radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), e subiculum. Questo protocollo è stato applicato a cinque soggetti (3F, 2M, 29-57 anni, 37 avg.). Affidabilità protocollo è valutata resegmenting destra oa ippocampo fianco di ogni soggetto e calcolando la sovrapposizione con kappa metrica della Dice. Media di Dice kappa (range) attraverso cinque soggetti sono: intero ippocampo, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0,64 (,56-0,73); CA4 / giro dentato, 0,83 (0,81-0,85); strati radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); e subiculum 0,75 (0,72-0,78). Il protocollo di segmentazione qui presentata fornisce altri laboratori con un metodo affidabile per studiare l'ippocampo e sottocampi dell'ippocampo in vivo utilizzando comunemente disponibili strumenti MR.

Introduction

L'ippocampo è una struttura mediale lobo temporale ampiamente studiato che è associato con la memoria episodica, navigazione spaziale, e altre funzioni cognitive 10,31. Il suo ruolo in malattie neurodegenerative e neuropsichiatrici come del morbo di Alzheimer, la schizofrenia e il disturbo bipolare è ben documentato 4,5,18,24,30. L'obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire ulteriori dettagli al protocollo di segmentazione manuale pubblicato in precedenza per 34 sottocampi di ippocampo umani ad alta risoluzione risonanza magnetica (MR) immagini acquisite a 3T. Inoltre, la componente video che accompagna questo manoscritto fornirà ulteriore assistenza ai ricercatori che desiderano implementare il protocollo sui propri set di dati.

L'ippocampo può essere diviso in sottocampi sulla base delle differenze osservate nei citoarchitettoniche istologicamente preparati post mortem provini 12,22. Tali esemplari post mortem definiscono il ground verità per l'identificazione e lo studio di sottocampi dell'ippocampo; tuttavia preparazioni di questo tipo richiedono competenze ed attrezzature per la colorazione specializzate, e sono limitati dalla disponibilità di tessuto fissato, soprattutto nelle popolazioni malate. Imaging in vivo ha il vantaggio di un più ampio pool di soggetti, e presenta anche la possibilità di follow gli studi e le modifiche di osservazione nelle popolazioni. Anche se è stato dimostrato che intensità di segnale a ex vivo immagini RM T2-pesate riflettere densità cellulare 13, è ancora difficile individuare i confini indiscussi tra sottocampi utilizzando esclusivamente intensità di segnale MR. In quanto tale, sono stati sviluppati una serie di approcci diversi per identificare dettagli a livello di istologia sulle immagini RM.

Alcuni gruppi hanno compiuto sforzi per ricostruire e digitalizzare set di dati istologici e poi utilizzare queste ricostruzioni con le tecniche di registrazione di immagini per localizzare dell'ippocampo sottocampo neuroanatomy su in vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. Anche se questa è una tecnica efficace per mappare una versione della verità terra istologico direttamente sulle immagini RM, le ricostruzioni di questo tipo sono difficili da completare. Progetti come questi sono limitati dalla disponibilità di esemplari intatti mediale del lobo temporale, tecniche istologiche, la perdita di dati durante la lavorazione, istologica e le incongruenze morfologiche fondamentali tra il cervello in vivo fisse e in. Altri gruppi hanno usato gli scanner ad alto campo (7T o 9.4T), nel tentativo di acquisire in vivo o ex vivo con immagini abbastanza piccolo (0,20-,35 mm isotropo) dimensione voxel di visualizzare spazialmente localizzate le differenze di contrasto delle immagini che vengono utilizzate per dedurre confini tra sottocampi 35,37. Anche a 7T-9.4T e con una piccola dimensione voxel, le caratteristiche citoarchitettoniche dei sottocampi ippocampali non sono visibili. Come tali, sono stati sviluppati protocolli segmentazione manuali che unpproximate noti confini istologici sulle immagini RM. Questi protocolli stabiliscono limiti sottocampo interpretando le differenze di contrasto immagine locali e la definizione regole geometriche (come linee rette e angoli) relativi alle strutture visibili. Anche se le immagini scattate ad una elevata intensità di campo sono in grado di offrire un quadro dettagliato delle sottocampi dell'ippocampo, scanner ad alta campo non sono ancora comuni in ambito clinico o di ricerca, in modo da protocolli 7T e 9.4T attualmente hanno limitato l'applicabilità. Sono stati sviluppati protocolli simili per immagini raccolte su 3T e 4T scanner 11,20,21,23,24,25,28,33. Molti di questi protocolli sono basati su immagini con sub-1mm dimensioni voxel voxel nel piano coronale, ma hanno grandi spessori di fetta (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 o grandi distanze inter-slice 20,28, entrambi che si traducono in un significativo distorsione di misurazione nella stima dei volumi dei singoli sottocampi. Inoltre, molti dei protocolli esistenti 3Tescludere sottocampi in tutto o in parte della testa o la coda ippocampale 20,23,25,33 o non forniscono segmentazioni dettagliate delle sottostrutture importanti (ad esempio, combinare il DG con CA2 / CA3 o non includono gli strati radiatum / lacunosum / moleculare di CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Vi è quindi una necessità nel campo per una descrizione dettagliata di un protocollo che può identificare attendibilmente sottocampi pertinenti in tutta la testa, il corpo e la coda dell'ippocampo che si basa su uno scanner comunemente disponibili in ambito clinico e di ricerca. Gli sforzi sono attualmente in corso da parte del Gruppo Sottocampi Hippocampal (www.hippocampalsubfields.com) per armonizzare il processo di segmentazione dell'ippocampo sottocampo tra laboratori, simile a uno sforzo di armonizzazione esistente per tutta la segmentazione dell'ippocampo 6, e un documento iniziale confrontando 21 protocolli esistenti è stato recentemente pubblicato 38 . Il lavoro di questo gruppo sarà chiarire ulteriormente ottimale proce segmentazionedure.

Questo manoscritto fornisce istruzioni dettagliate video scritte e per attuare il protocollo di segmentazione affidabile sottocampo ippocampale descritto in precedenza da Winterburn e colleghi su 34 immagini ad alta risoluzione 3T MR. Il protocollo è stato implementato su cinque immagini di controlli sani per tutta la ippocampo e cinque sottocampi dell'ippocampo CA1, CA2 (/ CA3, CA4 / giro dentato, strati radiatum / lacunosum / moleculare e subiculum). Queste immagini segmentate sono a disposizione del pubblico online (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Il protocollo e le immagini segmentate saranno utili per i gruppi che desiderano studiare dettagliata neuroanatomia ippocampale in immagini RM.

Protocol

I partecipanti allo studio Il protocollo in questo manoscritto è stato sviluppato per cinque immagini rappresentative ad alta risoluzione raccolti da volontari sani (3F, 2M, 29-57 anni, media 37). Che erano liberi di disturbi e casi di grave trauma cranico neurologici e neuropsichiatrici. Tutti i soggetti sono stati reclutati presso il Centro per la Salute Mentale e Dipendenze (CAMH). Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico CAMH Research ed è stato condotto in linea con la Dichiarazi…

Representative Results

. I risultati del test di affidabilità protocollo sono riassunti nella Tabella 2 Per l'intero ippocampo bilaterale, significa sovrapposizione spaziale come misurato dalla kappa di Dice è 0.91 e varia 0,90-0,92. I valori kappa sottocampo vanno da 0,64 (CA2 / CA3) a 0,83 (CA4 / giro dentato). Volumi medi di tutti sottocampi e tutta ippocampo sono riportati in Tabella 3. Volumi per l'intera gamma da ippocampo 2456.72-3325.02 mm 3. Il C…

Discussion

Segmentazione sottocampo ippocampale di immagini RM è ben rappresentata nella letteratura. Tuttavia, protocolli esistenti escludono parti dell'ippocampo 20,23,33,35, si applicano solo alle immagini fisse 37, o richiedono scanner ultra-alto campo per l'acquisizione di immagini 35,37. Questo manoscritto offre un protocollo di segmentazione comprende cinque suddivisioni principali (CA1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato, SR / SL / SM e subiculum) dell'ippocampo e copre l'intera…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori desiderano ringraziare il sostegno della Fondazione CAMH, grazie a Michael e Sonja Koerner, la Famiglia Kimel, e la Paul E. Garfinkel Nuova Investigator Catalyst Award. Questo progetto è stato finanziato dal Fonds de Recherches Santé Québec, la Canadian Institutes of Health Research (CIHR), le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada, del Brain Institute Weston, Società di Alzheimer del Canada, e il Micheal J. Fox Foundation per di Parkinson Research (MMC), così come CIHR, il Mental Foundation dell'Ontario Salute, NARSAD, e l'Istituto Nazionale di Salute Mentale (R01MH099167) (ANV). Gli autori desiderano inoltre ringraziare Anusha Ravichandran per assistenza acquisizione delle immagini.

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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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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