Summary

Yüksek çözünürlük<em> İn Vivo</em> 3T Manyetik Rezonans Görüntüleme kullanma İnsan hipokampal alanlar için Manuel Segmentasyon Protokolü

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

Insan hippocampusu genel olarak, bellek ve normal beyin fonksiyonu ve farklı nöropsikiyatrik rolü bağlamında incelenmiştir yoğun olarak araştırılmıştır. Birçok görüntüleme çalışmaları, tek bir yekpare nöro anatomik yapı olarak hipokampus tedavi olsa da, karmaşık bir üç boyutlu geometriye sahip birçok alt alanlardan oluşan aslında,. Bu nedenle, bu alt alanlar özel işlevleri yerine getirmek ve diferansiyel olarak, farklı hastalık durumlarının kurs boyunca etkilendiği bilinmektedir. Manyetik rezonans (MR) görüntüleme hipokampus ve alt alanlardan morfoloji sorgulamak için güçlü bir araç olarak kullanılabilir. Birçok grup altbaşlıklarla görüntü gelişmiş görüntüleme yazılım ve donanım (> 3T) kullanın; ancak teknolojinin bu tip en araştırma ve klinik görüntüleme merkezlerinde hazır olmayabilir. Bu ihtiyacı karşılamak için, bu yazının tam ön-arka uzunluğu segmentlere yönelik ayrıntılı bir adım-adım protokolü sağlarCornu ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus (DG), tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM) ve subiculum: hipokampus ve alt alanlardan. Bu protokol, beş olgu (; yaş 29-57, ort 37. 3F, 2M) uygulanmıştır. Protokol güvenilirliği Dice kappa metrik kullanarak üst üste sağ ya da her konunun sol hipokampus ya resegmenting ve bilgisayar tarafından değerlendirilir. Beş konular arasında Dice Kappa (aralık) ortalama şunlardır: Bütün hipokampus, 0.91 (0,90-0,92); CA1, 0.78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0.64 (0,56-0,73); CA4 / dentat girus, 0.83 (0,81-0,85); tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare, 0.71 (0,68-0,73); 0.75 (0.72-0.78) subiculum. Burada sunulan segmentasyon protokolü yaygın olarak bulunan MR araçlarını kullanarak in vivo hipokampus ve hipokampal dalından incelemek için güvenilir bir yöntem ile diğer laboratuvarlar sağlar.

Introduction

Hipokampus epizodik bellek, mekansal navigasyon ve diğer bilişsel işlevler 10,31 ile ilişkili yaygın olarak çalışılan medial temporal lob yapıdır. Alzheimer hastalığı, şizofreni, bipolar bozukluk ve nörodejeneratif ve nöropsikiyatrik rahatsızlıklarda rolü 4,5,18,24,30 iyi belgelenmiştir. Bu yazının amacı 3T edinilen yüksek çözünürlüklü manyetik rezonans (MR) görüntüleri insan hipokampal alanlar için daha önce 34 yayınlanmış manuel segmentasyon protokolüne ek ayrıntı sağlamaktır. Ayrıca, bu yazının eşlik video bileşeni kendi veri setlerinde protokolü uygulamak isteyen araştırmacılara daha fazla yardım sağlayacaktır.

Hipokampus histolojik olarak hazırlanmış otopsi gözlenen sitoarkitektonik farklılıklara dayalı altbaşlıklarla ayrılabilir 12,22 numune. Böyle otopsi örnekleri grou tanımlamaknd belirlenmesi ve hipokampal alanlar çalışması için gerçeği; Bu nitelikteki hazırlıklar boyama beceri ve donanım uzman gerektirir ve özellikle hastalıklı toplumlarda, sabit doku durumu ile sınırlıdır, ancak. in vivo görüntüleme konularda çok daha büyük bir havuz avantajı vardır, ve de izlenmek için fırsat sunuyor çalışmalar ve toplumlarda gözlemleyerek değişiklikleri kadar. O T2 ağırlıklı ex vivo MR görüntülerde bu sinyal yoğunlukları gösterilmiş olmasına rağmen hücresel yoğunluk 13, bu sadece MR sinyal şiddetlerini kullanarak altbaşlıklarla arasında tartışmasız sınırları belirlemek hala zor yansıtmaktadır. Bunun gibi, MR görüntülerinde histoloji düzeyinde detay belirlenmesi için farklı yaklaşımlar bir dizi geliştirilmiştir.

Bazı gruplar hipokampal alt alan neuroanat yerelleştirilmesine yeniden ve histolojik veri kümeleri dijital ortama aktarmak ve daha sonra görüntü kaydı teknikleri ile birlikte bu rekonstrüksiyon kullanmak için çabalarin vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32 üzerinde omy. Bu doğrudan MR görüntüleri üzerine histolojik zemin gerçeğin bir versiyonunu haritalama için etkili bir tekniktir olmakla birlikte, bu nitelikteki rekonstrüksiyon tamamlamak zordur. Bu gibi projeler bozulmamış medial temporal lob örneklerinde, histolojik teknikler, histolojik işleme sırasında veri kaybı, sabit ve in vivo beyinleri arasındaki temel morfolojik tutarsızlıklar durumu ile sınırlıdır. Diğer gruplar, in vivo olarak elde etmek için bir çaba yüksek alan tarayıcılar (7T ya 9.4T) kullandık ya da ex bir yeterince küçük olması (0,20-0,35 mm izotropik) voksel boyutu ile in vivo ve görüntüler mekansal için kullanılan görüntü kontrastında farklılıkları lokalize görselleştirilme altbaşlıklarla 35,37 arasındaki sınırları anlaması. Hatta 7T-9.4T de ve bu tür küçük voksel boyutu ile hipokampal alt alanlardan sitoarkitektonik özellikleri görünmez. Bu nedenle, manüel bölütleme protokolleri geliştirilmiştirMR görüntülerinde bilinen histolojik sınırlarını pproximate. Bu protokoller, yerel görüntü kontrastı farklılıkları yorumlama ve görünür yapılara göre (örneğin düz çizgiler ve açılar gibi) geometrik kurallar tanımlayarak alt alan sınırları belirler. Yüksek alan gücüne çekilen görüntüler hipokampal alanlar içine ayrıntılı fikir sunabiliyoruz rağmen 7T ve 9.4T protokolleri şu anda uygulanabilirliği sınırlıdır, bu yüzden yüksek alan tarayıcıları, henüz klinik veya araştırma ortamlarında yaygın değildir. Benzer protokolleri 3T ve 4T tarayıcıları 11,20,21,23,24,25,28,33 toplanan görüntüler için geliştirilmiştir. Bu protokollerin çoğu koronal planda alt 1mm vokselleri voksel boyutlu görüntüler dayalı, ancak büyük dilim kalınlıkları (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 veya büyük dilim içi mesafeler sahiptir Bireysel alt alanlardan hacimlerinin tahmininde önemli bir ölçüm önyargı neden her ikisi de 20,28. Buna ek olarak, mevcut 3T protokoller çokhipokampus baş ve kuyruk 20,23,25,33 tamamı veya bir kısmı alt alanlarını dışlamak ya da önemli altyapılar (yani, CA2 / CA3 ile DG birleştirmek veya tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare arasında dahil değildir detaylı segmentasyonlar vermeyin CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Güvenilir klinik ve araştırma ortamlarında yaygın olarak bulunan bir tarayıcı dayanmaktadır hipokampus baş, gövde ve kuyruk boyunca ilgili dalından belirleyebilir bir protokol ayrıntılı bilgi için alanda bir ihtiyaç duyulmaktadır. Çabaları laboratuarlar arasında hipokampal alt alan bölümleme işlemini uyumlaştırılması Hipokampal Alt Dallar Grubu (www.hippocampalsubfields.com) tarafından halen devam etmekte olup, tüm hipokampal segmentasyon 6 varolan uyum çabası ve 21 mevcut protokolleri karşılaştıran bir başlangıç ​​kağıda benzer geçenlerde 38 yayınlandı . Bu gruptan eser daha uygun segmentasyon proce açıklamak olacakDURES.

Bu yazının güvenilir yüksek çözünürlüklü 3T MR görüntülerinde Winterburn ve arkadaşları 34 tarafından daha önce açıklanan hipokampus alt alan segmentasyon protokolünü uygulamak için ayrıntılı yazılı ve video yönergeler sağlar. Protokol bütün hipokampus için sağlıklı kontrollerin beş görüntü ve beş hipokampal alanlar (CA1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus, tabakalar radiatum / lacunosum / moleculare ve subiculum) üzerine uygulanmıştır. Bunlar parçalı görüntüler kamu çevrimiçi (cobralab.ca/atlases/Hippocampus) mevcuttur. Protokol ve parçalı görüntüleri MR görüntülerinde ayrıntılı hipokampal nöroanatomisini eğitim almak isteyen gruplar için yararlı olacaktır.

Protocol

Çalışma Katılımcılar Nörolojik ve nöropsikiyatrik bozukluklar ve ağır kafa travması vakalarının özgürdü (yaş 29-57, ort 37. 3F, 2M) bu yazının protokol sağlıklı gönüllüler toplanan beş temsilci yüksek çözünürlüklü görüntüler için geliştirilmiştir. Tüm denekler Bağımlılık ve Ruh Sağlığı Merkezi'nde (CAMH) de alındı. Çalışma CAMH Araştırma Etik Kurulu tarafından onaylanmış ve Helsinki Bildirgesi doğrultusunda gerçekleştirilmiştir….

Representative Results

. Protokol güvenilirlik testi sonuçları Tablo 2'de özetlenmiştir bütün ikili hipokampus için, mekansal örtüşme ortalama Dice en kappa ile ölçülen 0.91 ve 0.90 arasında değişmektedir – 0.92. Alt alan Kappa değerleri 0.64 (CA2 / CA3) den 0.83 (CA4 / dentat girus) arasında değişir. Tüm altbaşlıklarla ve bütün hipokampus ortalama hacimleri Tablo 3'de rapor edilmektedir. Bütün hipokampus aralığı için Ciltler 2.456,72-3325,02 mm 3 den. CA1 85…

Discussion

MR görüntülerinde Hipokampal alt alan segmentasyonu literatürde iyi temsil edilmektedir. Ancak mevcut protokoller hipokampus 20,23,33,35 bölümlerini hariç, sabit görüntülerin 37 için geçerlidir, ya da görüntü elde 35,37 ultra-yüksek alan tarayıcıları gerektirir. Bu yazının hipokampus beş ana alt bölümleri (CA1, CA2 / CA3, CA4 / dentat girus, SR / SL / SM ve subiculum) içerir ve yapının tüm ön-arka uzunluğu yayılan bir segmentasyon protokolü sunuyor. Tam pa…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar, CAMH Vakfı destek kabul etmek Michael ve Sonja Koerner, Kimel Aile ve Paul E. Garfinkel Yeni Araştırmacı Ödülü Catalyst sayesinde istiyorum. Bu proje Fonds de Recherches Santé Québec, Kanada Sağlık Araştırma Enstitüleri (CIHR), Doğa Bilimleri ve Kanada'nın, Weston Beyin Enstitüsü, Kanada Alzheimer Derneği Mühendislik Araştırma Konseyi ve Micheal J. Fox Vakfı tarafından finanse edildi Parkinson Araştırma (MMC), yanı sıra CIHR, Ontario Ruh Sağlığı Vakfı, NARSAD ve Ulusal Akıl Sağlığı Enstitüsü (R01MH099167) (ANV) için. Yazarlar ayrıca görüntüleri elde yardım için Anusha Ravichandran teşekkür etmek istiyorum.

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