Segmentación manual del plexo coroideo humano mediante resonancia magnética cerebral

Función del plexo coroideo
El plexo coroideo es una estructura altamente vascularizada en el cerebro que consiste en capilares fenestrados y una monocapa de células epiteliales del plexo coroideo¹. El plexo coroideo se proyecta hacia los ventrículos cerebrales laterales, tercero y cuarto y produce líquido cefalorraquídeo (LCR), que desempeña un papel importante en el patrón neural² y en la fisiología cerebral ^3,4. El plexo coroideo secreta sustancias neurovasculares, abarca un depósito similar al de las células madre y actúa como una barrera física para impedir la entrada de metabolitos tóxicos, una barrera enzimática para eliminar las fracciones que eluden la barrera física y una barrera inmunológica para proteger contra invasores extraños⁵. El plexo coroideo modula la neurogénesis⁶, la plasticidad sináptica⁷, la inflamación⁸, el ritmo circadiano ^9,10, el eje cerebral intestinal¹¹ y la cognición¹². Además, las citocinas periféricas, el estrés y la infección (incluido el SARS-CoV-2) pueden alterar la barrera hematoencefálica 13,14,15,16. Por lo tanto, el sistema plexo coroideo-LCR es integral para el neurodesarrollo, la maduración de los neurocircuitos, la homeostasis cerebral y la reparación¹⁷. Dado que las alteraciones inmunitarias, inflamatorias, metabólicas y enzimáticas afectan al cerebro, los investigadores están utilizando herramientas de neuroimagen para evaluar el papel del plexo coroideo a lo largo de la vida y en los trastornos cerebrales 18,19,20. Sin embargo, existen limitaciones en las herramientas automatizadas de uso común para la segmentación del plexo coroideo, como FreeSurfer, que dan como resultado que el plexo coroideo esté mal segmentado. Por lo tanto, existe una necesidad crítica de una segmentación manual del plexo coroideo que pueda utilizarse para desarrollar una herramienta automatizada precisa para la segmentación del plexo coroideo.

Plexo coroideo en el neurodesarrollo y trastornos cerebrales
El papel del plexo coroideo en los trastornos cerebrales ha sido descuidado durante mucho tiempo, principalmente porque se consideraba como un actor de apoyo cuya función era amortiguar el cerebro y mantener un equilibrio adecuado de sal ^2,21. Sin embargo, el plexo coroideo ha ganado atención como una estructura ligada a trastornos cerebrales como los síndromes de dolor²², el SARS-CoV-2 16,23,24, el neurodesarrollo² y los trastornos cerebrales¹⁹, lo que sugiere un efecto transdiagnóstico en el desarrollo de trastornos del comportamiento. En los trastornos del neurodesarrollo, los quistes del plexo coroideo se asociaron con un mayor riesgo de retraso en el desarrollo, trastorno por déficit de atención con hiperactividad (TDAH) o trastorno del espectro autista (TEA)^25,26. Además, se encontró que el volumen del plexo coroideo del ventrículo lateral estaba aumentado en pacientes con TEA²⁷. En los trastornos cerebrales, las anomalías del plexo coroideo se han descrito desde 1921 en los trastornos psicóticos^28,29. Estudios previos han identificado el agrandamiento del plexo coroideo mediante la segmentación FreeSurfer en una gran muestra de pacientes con trastornos psicóticos en comparación con sus familiares de primer grado y controles¹⁹. Estos hallazgos se replicaron utilizando el volumen del plexo coroideo segmentado manualmente en una gran muestra de población clínica de alto riesgo de psicosis y se encontró que estos pacientes tenían un volumen de plexo coroideo mayor en comparación con los controles sanos³⁰. Hay un número creciente de estudios que demuestran el agrandamiento del plexo coroideo en el síndrome de dolor regional complejo²², accidente cerebrovascular³¹, esclerosis múltiple^20,32, Alzheimer^33,34 y depresión³⁵, y algunos demuestran un vínculo entre la actividad inmunológica/inflamatoria periférica y cerebral. Estos estudios de neuroimagen son prometedores; sin embargo, la mala segmentación del plexo coroideo del ventrículo lateral por FreeSurfer²¹ limita la confiabilidad de la estimación automatizada del volumen del plexo coroideo. Como resultado, los estudios sobre la esclerosis múltiple^20,32, la depresión³⁵, el Alzheimer³⁴ y la psicosis temprana³⁶ han comenzado a segmentar manualmente el plexo coroideo del ventrículo lateral, pero no existen pautas actuales sobre cómo hacerlo, ni tampoco su orientación sobre la segmentación del plexo coroideo del tercer y cuarto ventrículo.

Las herramientas de segmentación comunes excluyen el plexo coroideo
Las canalizaciones de segmentación cerebral como FreeSurfer^37,38,39, FMRIB Software Library (FSL)⁴⁰, SLANT⁴¹ y FastSurfer (desarrollado por el coautor Martin Reuter)^42,43, segmentan de forma precisa y fiable las estructuras corticales y subcorticales empleando paradigmas de segmentación basados en atlas (FSL), atlas y en superficies (FreeSurfer) y de aprendizaje profundo (SLANT y FastSurfer). Las debilidades de algunos de estos enfoques incluyen la velocidad de procesamiento, la generalización limitada a diferentes escáneres, las intensidades de campo y los tamaños de vóxeles^37,44, y la alineación forzada del mapa de etiquetas en un espacio de atlas estándar. Sin embargo, la capacidad de segmentar el plexo coroideo y la compatibilidad con la resonancia magnética de alta resolución solo es abordada por FreeSurfer y FastSurfer. Las redes neuronales detrás de FastSurfer se entrenan con las etiquetas del plexo coroideo de FreeSurfer, por lo que heredan las limitaciones de confiabilidad y cobertura discutidas anteriormente de FreeSurfer, con el tercer y cuarto ventrículo ignorados²¹. También existen limitaciones actuales para la resonancia magnética de alta resolución, pero la transmisión de alta resolución⁴⁵ y FastSurferVINN⁴³ de FreeSurfer se pueden usar para manejar este problema.

Herramientas actuales de segmentación del plexo coroideo
Solo hay una herramienta de segmentación disponible gratuitamente para el plexo coroideo, pero la precisión de la segmentación es limitada. La segmentación precisa del plexo coroideo puede verse afectada por una variedad de factores, que incluyen (1) variabilidad en la ubicación del plexo coroideo (espacialmente no estacionario) debido a su ubicación dentro de los ventrículos, (2) diferencias en la intensidad del vóxel, el contraste, la resolución (heterogeneidad dentro de la estructura) debido a la heterogeneidad celular, la función dinámica del plexo coroideo, cambios patológicos o efectos parciales de volumen, (3) diferencias de tamaño ventricular relacionadas con la edad o la patología que afectan el tamaño del plexo coroideo, y (4) proximidad a estructuras subcorticales adyacentes (hipocampo, amígdala, caudado y cerebelo), que también son difíciles de segmentar. Dados estos desafíos, las segmentaciones de FreeSurfer a menudo subestiman o sobreestiman, etiquetan erróneamente o ignoran el plexo coroideo.

Tres publicaciones recientes abordaron la brecha de la segmentación confiable del plexo coroideo con un modelo de mezcla gaussiana (GMM)⁴⁶, un Axial-MLP⁴⁷ y enfoques de aprendizaje profundo basados en^U-Net48. Cada modelo se entrenó y evaluó utilizando conjuntos de datos privados, etiquetados manualmente, de un máximo de 150 sujetos con una diversidad limitada de escáneres, sitios, datos demográficos y trastornos. Si bien estas publicaciones 46,48,49 lograron mejoras significativas con respecto a la segmentación del plexo coroideo de FreeSurfer, a veces duplicando la intersección de la predicción y la verdad del terreno, ninguno de los métodos está (1) validado en resonancia magnética de alta resolución, (2) tiene análisis dedicados de generalización y confiabilidad, (3) presenta grandes conjuntos de datos representativos de entrenamiento y prueba, (4) aborda o analiza específicamente los desafíos de segmentación del plexo coroideo como Efectos de volumen parcial, o (5) está disponible públicamente como una herramienta lista para usar. Por lo tanto, el “estándar de oro” actual para la segmentación del plexo coroideo es el trazado manual, por ejemplo, utilizando 3D Slicer⁵⁰ o ITK-SNAP⁵¹, que no se ha descrito previamente y ha sido un desafío importante para los investigadores que desean examinar el papel del plexo coroideo en sus estudios. Se eligió 3D Slicer para la segmentación manual debido a la familiaridad del autor con el software y porque proporciona al usuario varias herramientas basadas en diferentes enfoques que se pueden combinar para obtener el resultado deseado. Se pueden utilizar otras herramientas, como ITK-SNAP, que está orientada principalmente a la segmentación de imágenes, y una vez dominada la herramienta, el usuario puede obtener buenos resultados. Además, los autores han llevado a cabo un estudio de casos y controles que demuestra la alta precisión y fiabilidad de su técnica de segmentación manual utilizando 3D Slicer³⁰, y esa metodología específica se describe en este documento.