Segmentation manuelle du plexus choroïde humain à l’aide de l’IRM cérébrale

Fonction du plexus choroïde
Le plexus choroïde est une structure hautement vascularisée du cerveau constituée de capillaires fenêtrés et d’une monocouche de cellules épithéliales du plexus choroïde¹. Le plexus choroïde se projette dans les ventricules cérébraux latéraux, troisième et quatrième et produit du liquide céphalorachidien (LCR), qui joue un rôle important dans la structuration neuronale² et la physiologie cérébrale ^3,4. Le plexus choroïde sécrète des substances neurovasculaires, englobe un dépôt semblable à une cellule souche et agit comme une barrière physique pour empêcher l’entrée de métabolites toxiques, une barrière enzymatique pour éliminer les fractions qui contournent la barrière physique et une barrière immunologique pour protéger^{contre les} envahisseurs étrangers. Le plexus choroïde module la neurogenèse⁶, la plasticité synaptique⁷, l’inflammation⁸, le rythme circadien ^9,10, l’axe cerveau intestinal¹¹ et la cognition¹². De plus, les cytokines périphériques, le stress et l’infection (y compris le SRAS-CoV-2) peuvent perturber la barrière hémato-céphalo-rachidien 13,14,15,16. Ainsi, le système plexus-LCR choroïde fait partie intégrante du neurodéveloppement, de la maturation des circuits neurologiques, de l’homéostasie cérébrale et de la réparation¹⁷. Étant donné que les altérations immunitaires, inflammatoires, métaboliques et enzymatiques ont un impact sur le cerveau, les chercheurs utilisent des outils de neuroimagerie pour évaluer le rôle du plexus choroïde tout au long de la vie et dans les troubles cérébraux 18,19,20. Cependant, il existe des limites dans les outils automatisés couramment utilisés pour la segmentation du plexus choroïde, tels que FreeSurfer, qui se traduisent par une mauvaise segmentation du plexus choroïde. Ainsi, il existe un besoin critique de segmentation manuelle de la vérité terrain du plexus choroïde qui peut être utilisé pour développer un outil automatisé précis pour la segmentation du plexus choroïde.

Plexus choroïde dans le neurodéveloppement et les troubles cérébraux
Le rôle du plexus choroïde dans les troubles cérébraux a longtemps été négligé, principalement parce qu’il était considéré comme un acteur de soutien dont le rôle était d’amortir le cerveau et de maintenir un bon équilibre salin ^2,21. Cependant, le plexus choroïde a attiré l’attention en tant que structure liée à des troubles cérébraux tels que les syndromes douloureux²², le SRAS-CoV-2 16,23,24, le neurodéveloppement² et les troubles cérébraux¹⁹, suggérant un effet transdiagnostique dans le développement des troubles du comportement. Dans les troubles neurodéveloppementaux, les kystes du plexus choroïde étaient associés à un risque accru de retard de développement, de trouble déficitaire de l’attention/hyperactivité (TDAH) ou de trouble du spectre autistique (TSA)^25,26. De plus, on a constaté une augmentation du volume du plexus choroïde du ventricule latéral chez les patients atteints de TSA²⁷. Dans les troubles cérébraux, des anomalies du plexus choroïde sont décrites depuis 1921 dans les troubles psychotiques^28,29. Des études antérieures ont identifié l’élargissement du plexus choroïde à l’aide de la segmentation FreeSurfer dans un large échantillon de patients atteints de troubles psychotiques par rapport à leurs parents au premier degré et aux témoins¹⁹. Ces résultats ont été reproduits à l’aide d’un volume de plexus choroïde segmenté manuellement dans un grand échantillon de population clinique à haut risque de psychose et ont constaté que ces patients avaient un volume de plexus choroïde plus important par rapport aux témoins sains³⁰. Il existe un nombre croissant d’études démontrant l’élargissement du plexus choroïde dans le syndrome douloureux régional complexe²², l’accident vasculaire cérébral³¹, la sclérose en plaques^20,32, la maladie d’Alzheimer^33,34 et la dépression³⁵, certaines démontrant un lien entre l’activité immunitaire/inflammatoire périphérique et cérébrale. Ces études de neuroimagerie sont prometteuses ; cependant, une mauvaise segmentation du plexus choroïde du ventricule latéral par FreeSurfer²¹ limite la fiabilité de l’estimation automatisée du volume du plexus choroïde. En conséquence, des études sur la sclérose en plaques^20,32, la dépression³⁵, la maladie d’Alzheimer³⁴ et la psychose précoce³⁶ ont commencé à segmenter manuellement le plexus choroïde du ventricule latéral, mais il n’y a pas de lignes directrices actuelles sur la façon de le faire, pas plus que leurs conseils sur la segmentation du plexus choroïde du troisième et du quatrième ventricule.

Les outils de segmentation courants excluent le plexus choroïde
Les pipelines de segmentation cérébrale tels que FreeSurfer 37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)⁴⁰, SLANT⁴¹ et FastSurfer (développé par le co-auteur Martin Reuter)^42,43, segmentent avec précision et fiabilité les structures corticales et sous-corticales en utilisant des paradigmes de segmentation basés sur l’atlas (FSL), l’atlas et la surface (FreeSurfer) et l’apprentissage profond (SLANT et FastSurfer). Les faiblesses de certaines de ces approches comprennent la vitesse de traitement, la généralisation limitée à différents scanners, les intensités de champ et les tailles de voxel^37,44 et l’alignement forcé de la carte d’étiquettes dans un espace d’atlas standard. Cependant, la capacité de segmenter le plexus choroïde et la compatibilité avec l’IRM haute résolution ne sont abordées que par FreeSurfer et FastSurfer. Les réseaux neuronaux à l’origine de FastSurfer sont entraînés sur les étiquettes du plexus choroïde de FreeSurfer, de sorte qu’ils héritent de la fiabilité et des limites de couverture précédemment discutées de FreeSurfer, les troisième et quatrième ventricules étant ignorés²¹. Il existe également des limitations actuelles pour l’IRM haute résolution, mais le flux haute résolution⁴⁵ et le FastSurferVINN⁴³ de FreeSurfer peuvent être utilisés pour résoudre ce problème.

Outils actuels de segmentation du plexus choroïde
Il n’existe qu’un seul outil de segmentation disponible gratuitement pour le plexus choroïde, mais la précision de la segmentation est limitée. La segmentation précise du plexus choroïde peut être influencée par divers facteurs, notamment (1) la variabilité de l’emplacement du plexus choroïde (spatialement non stationnaire) en raison de son emplacement dans les ventricules, (2) les différences d’intensité des voxels, de contraste, de résolution (hétérogénéité intra-structure) dues à l’hétérogénéité cellulaire, à la fonction dynamique du plexus choroïde, aux changements pathologiques ou aux effets de volume partiels, (3) les différences de taille ventriculaire liées à l’âge ou à la pathologie ayant un impact sur la taille du plexus choroïde, et (4) la proximité des structures sous-corticales adjacentes (hippocampe, amygdale, caudé et cervelet), qui sont également difficiles à segmenter. Compte tenu de ces défis, les segmentations FreeSurfer sous-estiment ou surestiment souvent, étiquetent mal ou ignorent le plexus choroïde.

Trois publications récentes ont abordé la lacune de la segmentation fiable du plexus choroïde avec un modèle de mélange gaussien (GMM)⁴⁶, un MLP axial⁴⁷ et des approches d’apprentissage profond basées sur^{U-Net 48}. Chaque modèle a été entraîné et évalué à l’aide d’ensembles de données privés, étiquetés manuellement, d’au plus 150 sujets avec une diversité limitée de scanners, de sites, de données démographiques et de troubles. Bien que ces publications 46,48,49 aient apporté des améliorations significatives par rapport à la segmentation du plexus choroïde de FreeSurfer – doublant parfois l’intersection de la prédiction et de la vérité terrain, aucune des deux méthodes n’est (1) validée en IRM haute résolution, (2) dispose d’analyses de généralisation et de fiabilité dédiées, (3) présente de grands ensembles de données d’entraînement et de test représentatifs, (4) aborde ou analyse spécifiquement les défis de segmentation du plexus choroïde tels que : effets de volume partiels, ou (5) est accessible au public en tant qu’outil prêt à l’emploi. Ainsi, l’étalon-or actuel pour la segmentation du plexus choroïde est le traçage manuel, par exemple à l’aide de 3D Slicer⁵⁰ ou ITK-SNAP⁵¹, qui n’a pas été décrit auparavant et qui a constitué un défi majeur pour les chercheurs souhaitant examiner le rôle du plexus choroïde dans leurs études. 3D Slicer a été choisi pour la segmentation manuelle en raison de la familiarité de l’auteur avec le logiciel et parce qu’il fournit à l’utilisateur divers outils basés sur différentes approches qui peuvent être combinés pour obtenir le résultat souhaité. D’autres outils peuvent être utilisés, comme ITK-SNAP, qui est principalement orienté sur la segmentation d’images, et une fois l’outil maîtrisé, de bons résultats peuvent être obtenus par l’utilisateur. De plus, les auteurs ont mené une étude cas-témoins démontrant la grande précision et la fiabilité de leur technique de segmentation manuelle à l’aide de 3D Slicer³⁰, et cette méthodologie spécifique est décrite ici.