Manuelle Segmentierung des menschlichen Aderhautplexus mittels Hirn-MRT

Funktion des Plexus choroideus
Der Plexus choroideus ist eine stark vaskularisierte Struktur im Gehirn, die aus gefensterten Kapillaren und einer Monoschicht von Epithelzellen des Plexus choroideus besteht¹. Der Plexus choroideus projiziert in den lateralen, dritten und vierten Hirnventrikel und produziert Liquor cerebrospinalis (CSF), der eine wichtige Rolle bei der neuronalen Musterbildung² und der Hirnphysiologie spielt ^3,4. Der Plexus choroideus sezerniert neurovaskuläre Substanzen, umschließt ein stammzellähnliches Lager und fungiert als physikalische Barriere, um das Eindringen toxischer Metaboliten zu verhindern, als enzymatische Barriere, um Teile zu entfernen, die die physische Barriere umgehen, und als immunologische Barriere zum Schutz vor fremden Eindringlingen⁵. Der Plexus choroideus moduliert die Neurogenese⁶, die synaptische Plastizität⁷, die Entzündung⁸, den zirkadianen Rhythmus ^9,10, die Darm-Hirn-Achse¹¹ und die Kognition¹². Darüber hinaus können periphere Zytokine, Stress und Infektionen (einschließlich SARS-CoV-2) die Blut-Liquor-Schranke stören 13,14,15,16. Somit ist das Aderhautplexus-CSF-System für die Neuroentwicklung, die Reifung von Neuroschaltkreisen, die Homöostase des Gehirns und die Reparatur von¹⁷ von entscheidender Bedeutung. Da sich immune, entzündliche, metabolische und enzymatische Veränderungen auf das Gehirn auswirken, verwenden Forscher bildgebende Verfahren, um die Rolle des Plexus choroideus über die gesamte Lebensspanne und bei Hirnerkrankungen zu beurteilen 18,19,20. Bei häufig verwendeten automatisierten Tools für die Segmentierung des Plexus choroideus, wie z. B. FreeSurfer, gibt es jedoch Einschränkungen, die dazu führen, dass der Plexus choroideus schlecht segmentiert ist. Daher besteht ein kritischer Bedarf an einer manuellen Ground-Truth-Segmentierung des Aderhautplexus, die zur Entwicklung eines genauen automatisierten Werkzeugs für die Segmentierung des Aderhautplexus verwendet werden kann.

Plexus choroideus bei neurologischer Entwicklung und Hirnerkrankungen
Die Rolle des Plexus choroideus bei Erkrankungen des Gehirns wurde lange Zeit vernachlässigt, vor allem, weil er als unterstützender Akteur angesehen wurde, dessen Aufgabe es war, das Gehirn abzufedern und einen angemessenen Salzhaushalt aufrechtzuerhalten ^2,21. Der Plexus choroideus hat jedoch als eine Struktur Aufmerksamkeit erlangt, die mit Gehirnerkrankungen wie Schmerzsyndromen²², SARS-CoV-2 16,23,24, neurologischen Entwicklungsstörungen 2 und Hirnstörungen¹⁹ in Verbindung gebracht wird, was auf einen transdiagnostischen Effekt bei der Entwicklung von Verhaltensstörungen hindeutet. Bei neurologischen Entwicklungsstörungen waren Aderhautplexuszysten mit einem erhöhten Risiko für Entwicklungsverzögerungen, Aufmerksamkeitsdefizit-/Hyperaktivitätsstörungen (ADHS) oder Autismus-Spektrum-Störungen (ASS) ^{verbunden25,26}. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Volumen des Aderhautplexus des lateralen Ventrikels bei Patienten mit ASS²⁷ erhöht ist. Bei Erkrankungen des Gehirns werden seit 1921 Anomalien des Plexus choroideus bei psychotischen Störungen beschrieben^28,29. Frühere Studien haben eine Vergrößerung des Plexus choroideus mittels FreeSurfer-Segmentierung bei einer großen Stichprobe von Patienten mit psychotischen Störungen im Vergleich zu ihren Verwandten ersten Grades und der Kontrollgruppe festgestellt¹⁹. Diese Ergebnisse wurden unter Verwendung eines manuell segmentierten Aderhautplexusvolumens in einer großen Stichprobe klinischer Hochrisikopopulation für Psychosen repliziert und festgestellt, dass diese Patienten im Vergleich zu gesunden Kontrollpersonen ein größeres Aderhautplexusvolumen aufwiesen³⁰. Es gibt eine wachsende Zahl von Studien, die eine Vergrößerung des Plexus choroideus bei komplexen regionalen Schmerzsyndromen²², Schlaganfall³¹, Multipler Sklerose^20,32, Alzheimer^33,34 und Depression³⁵ belegen, wobei einige einen Zusammenhang zwischen peripherer und Gehirn-Immun-/Entzündungsaktivität zeigen. Diese Neuroimaging-Studien sind vielversprechend; Eine schlechte Segmentierung des Aderhautplexus des lateralen Ventrikels durch FreeSurfer²¹ schränkt jedoch die Zuverlässigkeit der automatisierten Volumenschätzung des Plexus choroideus ein. Infolgedessen haben Studien zu Multipler Sklerose^20,32, Depression³⁵, Alzheimer³⁴ und früher Psychose³⁶ damit begonnen, den Aderhautplexus lateraler Ventrikel manuell zu segmentieren, aber es gibt keine aktuellen Richtlinien dafür, wie dies zu tun ist, noch gibt es eine Anleitung zur Segmentierung des Aderhautplexus des dritten und vierten Ventrikels.

Gängige Segmentierungstools schließen den Plexus choroideus aus
Gehirnsegmentierungs-Pipelines wie FreeSurfer^37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)⁴⁰, SLANT⁴¹ und FastSurfer (entwickelt vom Co-Autor Martin Reuter)^42,43 segmentieren präzise und zuverlässig kortikale und subkortikale Strukturen unter Verwendung von Atlas-basierten (FSL), Atlas- und Oberflächen-basierten (FreeSurfer) und Deep-Learning-Segmentierungsparadigmen (SLANT und FastSurfer). Zu den Schwächen einiger dieser Ansätze gehören die Verarbeitungsgeschwindigkeit, die begrenzte Generalisierung auf verschiedene Scanner, die Feldstärken und Voxelgrößen^37,44 sowie die erzwungene Ausrichtung der Beschriftungskarte in einem Standardatlasraum. Die Möglichkeit, den Plexus choroideus zu segmentieren und die Kompatibilität mit hochauflösender MRT wird jedoch nur von FreeSurfer und FastSurfer adressiert. Die neuronalen Netze, die hinter FastSurfer stehen, sind auf FreeSurfer-Aderhautplexus-Markierungen trainiert, so dass sie die zuvor diskutierten Zuverlässigkeits- und Abdeckungsbeschränkungen von FreeSurfer erben, wobei der dritte und vierte Ventrikel ignoriert werden²¹. Derzeit gibt es auch Einschränkungen für hochauflösende MRT, aber der hochauflösende Stream⁴⁵ und FastSurferVINN⁴³ von FreeSurfer können verwendet werden, um dieses Problem zu lösen.

Aktuelle Tools zur Segmentierung des Plexus choroideus
Es gibt nur ein frei verfügbares Segmentierungswerkzeug für den Plexus choroideus, aber die Segmentierungsgenauigkeit ist begrenzt. Die genaue Segmentierung des Plexus choroideus kann durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, darunter (1) Variabilität der Lage des Plexus choroideus (räumlich nicht stationär) aufgrund seiner Lage innerhalb der Ventrikeln, (2) Unterschiede in der Voxelintensität, dem Kontrast, der Auflösung (Heterogenität innerhalb der Struktur) aufgrund zellulärer Heterogenität, der dynamischen Funktion des Plexus choroideus, pathologischer Veränderungen oder partieller Volumeneffekte, (3) alters- oder pathologiebedingter ventrikulärer Größenunterschiede, die sich auf die Größe des Aderhautplexus auswirken, und (4) die Nähe zu benachbarten subkortikalen Strukturen (Hippocampus, Amygdala, Caudatus und Kleinhirn), die ebenfalls schwer zu segmentieren sind. Angesichts dieser Herausforderungen wird der Plexus choroideus bei FreeSurfer-Segmentierungen oft unter- oder überschätzt, falsch gekennzeichnet oder ignoriert.

Drei aktuelle Veröffentlichungen befassten sich mit der Lücke einer zuverlässigen Segmentierung des Plexus choroideus mit einem Gaußschen Mischungsmodell (GMM)⁴⁶, einem Axial-MLP⁴⁷ und U-Net-basierten Deep-Learning-Ansätzen⁴⁸. Jedes Modell wurde mit privaten, manuell beschrifteten Datensätzen von maximal 150 Probanden mit einer begrenzten Vielfalt an Scannern, Standorten, demografischen Daten und Störungen trainiert und evaluiert. Während diese Veröffentlichungen 46,48,49 signifikante Verbesserungen gegenüber der Aderhautplexus-Segmentierung von FreeSurfer erzielten – manchmal verdoppelte sich die Schnittmenge von Vorhersage und Ground Truth, ist keine der beiden Methoden (1) in hochauflösender MRT validiert, (2) verfügt über dedizierte Generalisierungs- und Zuverlässigkeitsanalysen, (3) verfügt über große repräsentative Trainings- und Testdatensätze, (4) adressiert oder analysiert speziell Herausforderungen bei der Segmentierung des Aderhautplexus, wie z. B. Partial Volume Effects, oder (5) ist als gebrauchsfertiges Tool öffentlich verfügbar. Der derzeitige “Goldstandard” für die Segmentierung des Plexus choroideus ist daher das manuelle Tracing, z. B. mit dem 3D Slicer⁵⁰ oder dem ITK-SNAP⁵¹, das bisher noch nicht beschrieben wurde und eine große Herausforderung für Forscher darstellt, die die Rolle des Plexus choroideus in ihren Studien untersuchen möchten. 3D Slicer wurde für die manuelle Segmentierung ausgewählt, da der Autor mit der Software vertraut ist und dem Benutzer verschiedene Werkzeuge zur Verfügung stellt, die auf verschiedenen Ansätzen basieren und kombiniert werden können, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Es können auch andere Tools verwendet werden, wie z. B. ITK-SNAP, das in erster Linie auf die Bildsegmentierung ausgerichtet ist, und sobald das Tool beherrscht ist, können vom Benutzer gute Ergebnisse erzielt werden. Darüber hinaus haben die Autoren eine Fall-Kontroll-Studie durchgeführt, die die hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit ihrer manuellen Segmentierungstechnik unter Verwendung von 3D Slicer³⁰ demonstriert, und diese spezifische Methodik wird hier beschrieben.