Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

En omfattende protokol for manuel segmentering af Medial temporallap Structures

Published: July 2, 2014 doi: 10.3791/50991
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 2,3, 1, 1,2,3
1Psychology Department, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Neuroscience Program, University of Illinois Urbana-Champaign, 3Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois Urbana-Champaign
* These authors contributed equally

ERRATUM NOTICE

Abstract

Nærværende papir beskriver en omfattende protokol for manuel sporing af sættet af hjernen regioner, der omfatter den mediale tindingelappen (MTL): amygdala, hippocampus, og de ​​tilhørende parahippocampal regioner (perirhinal, entorhinal og parahippocampal korrekt). I modsætning til de fleste andre tracing protokoller til rådighed, typisk fokus på bestemte MTL områder (f.eks, amygdala og / eller hippocampus), den integrative perspektiv er vedtaget af de nuværende retningslinjer tracing giver mulighed for klar lokalisering af alle MTL subregioner. Ved at integrere oplysninger fra en række kilder, herunder bevarede sporingsforanstaltninger protokoller separat målrette forskellige MTL strukturer, histologiske rapporter og hjerne atlas, og med supplement af illustrative visuelle materialer, den nuværende protokol giver en præcis, intuitiv og praktisk vejledning til forståelse af MTL anatomi. Behovet for sådanne tracing retningslinjerunderstreges også ved at illustrere eventuelle forskelle mellem automatisk og manuel segmentering protokoller. Denne viden kan anvendes mod forskning, der indebærer ikke blot strukturelle MR undersøgelser, men også strukturelle-funktionelle colokalisering og fMRI signal ekstraktion fra anatomisk definerede ROIs hos raske og kliniske grupper ens.

Introduction

Den mediale tindingelappen (MTL), en formodet område af det højeste niveau af integration af sensorisk information 1, har været en hyppig genstand for målrettede analyser. For eksempel har hippocampus og de ​​tilhørende parahippocampal områder blevet grundigt undersøgt i hukommelsen forskning 2-5. Også den rolle amygdala er ofte blevet fremhævet i forskning undersøger følelser behandling og følelser-kognition interaktioner 6-11. For nylig har forskellige MTL regioner også fået opmærksomhed i de nye inden for personlighed neurovidenskab, som forbinder struktur og funktion af disse og andre områder af hjernen til individuel variation i personlighedstræk 12. Vurdering af anatomi og funktion af MTL strukturer kan være vigtigt for at lette diagnose af degenerative sygdomme, hvor bestemte strukturelle og funktionelle anomalier kan forekomme i forskellige MTL strukturer. For eksempel i Alzheimers sygdom (AD), signifikant ettrofæ entorhinale cortex og hippocampus kan observeres 13,14 og atrofi af hippocampus kan forudsige overgangen fra mild kognitiv svækkelse til AD 15. Automatisk segmentering algoritmer er for nylig blevet populær for segmentering kortikale og subkortikale strukturer, men som med ethvert værktøj, disse programmer uundgåeligt støder på fejl i nogle tilfælde. I sådanne tilfælde en forsker skal være udstyret med både viden og retningslinjer til at genkende de anatomiske grænser MTL strukturer. Tendensen i den bevarede litteratur har været at målrette individuelle MTL underområder 16-21, med mange protokoller tendens til at fokusere på hippocampus 16-19.

I modsætning til de fleste af de tilgængelige offentliggjorte retningslinjer for MTL opsporing, den nuværende protokol giver et omfattende sæt af retningslinjer, der giver mulighed for klare lokalisering af alle MTL subregioner. Sporing retningslinjer for følgende MTL strukturer er beskrevet: amygdala (AMY), hippocampus (HC), den perirhinal cortex (Kina), entorhinal cortex (ERC) og parahippocampal cortex (PHC). Amy og HC spores først, og derefter følges af parahippocampal gyrus (PHG) strukturer. Bemærk, at det generiske udtryk HC bruges her til at henvise til HC dannelse, som omfatter HC korrekt, subiculum og bageste segment uncus 22-24. Bemærk også, at PHG kan opdeles i to segmenter, den forreste del og den bageste del. Inden for den forreste del af PHG, kan det yderligere opdeles i den laterale og mediale forreste PHG, hvis kortikale områder svarer til Kina og Det Europæiske Forskningsråd, hhv. PHC, den korticale område af den bageste del af PHG svarer til parahippocampal cortex korrekt. For enkelthedens skyld vil vi bruge de vilkår Kina og ERC at henvise til den laterale og mediale forreste PHG, og PHC at henvise til den bageste PHG. Den segmentation for hver struktur begynder med et groft lokalisering af de forreste og bageste grænser, sammen med andre relevante vartegn, som derefter følges af den faktiske opsporing udført slice-by-slice i koronale plan, i en anterior-posterior/rostro-caudal retning. I alle tilfælde er de sagittale og aksiale sektioner overvåges nøje for at bistå lokalisering af anatomiske grænser og vartegn.

Behovet for sådanne sporing retningslinjer er også illustreret i tal, der viser mulige forskelle mellem produktionen af ​​automatiske og manuelle segmentering protokoller. Fordelen ved en protokol, der beskriver alle de MTL strukturer i det aktuelle visuelle format er, at variationer i anatomi (f.eks sikkerhedsstillelse sulcus [CS] dybde), der kan påvirke grænseoverskridende definitioner kan beskrives i sammenhæng med det omgivende anatomi (fx , Kina og ERC mediale og laterale grænser varierer i placering afhængig af dybden af CS 25

Den nuværende protokol er et eksplicit præsentation af retningslinjer, der anvendes til MTL sporing i en tidligere undersøgelse identificerer differentierede bidrag fra MTL subregioner til hukommelsen fremmende effekt af følelser 26, tilpasset til højere opløsning billeder af hjernen tilladt af den seneste udvikling i den strukturelle magnetisk resonans (MR) billeddannelse . Sporingen er illustreret på scanninger opnået fra en rask frivillig (kvinde, i alderen 24), ved hjælp af en 3T MR scanner. Anatomiske billeder blev erhvervet som 3D MPRAGE (TR = 1,800 msek, TE = 2,26 msek, FOV = 256 x 256 mm, voxel størrelse = 1 x 0,5 x 0,5 mm) med en overtagelse vinkel parallelt med AC-PC. Hvis billeddata er erhvervet med en anden erhvervelse vinkel, såsom skrå orientering, bør dataene være regridded til en parallel eller vinkelret orientering til AC-PC, sådan at anatomiske skelsættende beskrivelser oversætte korrekt. Billederne blev derefter oversat til NIFTI format og input til segmentering software 27 for manuel sporing. Scan data, der anvendes i den nuværende protokol blev indsamlet som led i en undersøgelse, der blev godkendt af Institutional Review Board, og den frivillige forudsat skriftlige samtykke.

Ved at trække oplysninger fra forskellige separate tracing protokoller for disse strukturer 18-22,28-31, samt fra anatomiske analyser og atlas 23,32,33, den nuværende protokol præsenterer et omfattende sæt af retningslinjer, der behandler uoverensstemmelser i det eksisterende litteratur. Suppleret med de ledsagende visuelle materialer, ventes dette arbejde for at fremme bedre forståelse af de MTL strukturer og vække interesse for fremtidig forskning i vedtagelsen manuel segmentering, enten som en primær metode til MTL opsporing eller som en hjælpematerialRy metode til automatisk segmentering. Ved at give en præcis, intuitiv og praktisk vejledning for forståelsen af ​​MTL anatomi, vil dette protokol hjælpe forskerne identificere placeringen af ​​alle MTL subregioner, i forhold til deres tilstødende bygninger, selv når kun nogle MTL strukturer er specifikt rettet til analyserne. Dette vil ikke blot øge lokalisering nøjagtighed, men vil også hjælpe sporstoffer træffe informerede beslutninger i tilfælde af morfologisk variation, hvilket er meget sandsynligt i MTL. Disse retningslinjer kan anvendes til forskning, som indebærer strukturelle og / eller funktionelle MRI undersøgelser af MTL, herunder volumetriske analyser og hjerne anomalisøgning samt lokalisering procedurer for funktionelle, anatomiske og tractographic analyser, raske grupper. Den nuværende protokol kunne også bruges til at informere segmentering af MTL strukturer for patienter (fx patienter med atrofi), hvis de store anatomiske landemærker relativt bevares. Sporing klinisk emnes data kan tage ekstra tid og kræfter, afhængig af sværhedsgraden af ​​atrofi og / eller anatomiske ændringer.

Det er vigtigt at overveje sondringen mellem gyri og cortex, når de fastlægger ROI. Anatomisk, gyrus her refererer til både hvide substans og grå stof, mens cortex refererer til grå stof alene. Afhængigt af den tilsigtede anvendelse af ROI kan segmentations omfatte hvide substans eller udelukke det.

Vi anbefaler sporing skal udføres sekventielt underkonstruktion af underkonstruktionen, en halvkugle ad gangen. Visse softwarepakker 34 giver mulighed for sporing af grænserne beskrevet på en skive, der skal indsættes på de efterfølgende skiver, en funktion, der fremskynder processen. Det er altid tilrådeligt at referere den indsigende halvkugle efter behov, for at kontrollere for konsistens på tværs af de to sider (f.eks i forbindelse med afsløring anatomiske kendetegn). Alternativt parallel sporing af de samme strukturer i to halvkugles kan også udføres. Uanset om sporingen er sekventiel eller parallel, når processen er færdig, bør sporstoffer dobbelttjekke slutresultatet og foretage justeringer efter behov, refererer begge hjernehalvdele og multiple plane synspunkter. Afhængig af oplevelsen af ​​sporstoffet og opløsningen af ​​billeddata, kan manuel segmentering af MTL for sunde emnedata tage 8-10 hr eller mere, i tilfælde af en novice sporstof, til 3-4 timer, i tilfælde af en erfaren én.

Figur 1
Figur 1.. En 3D overblik over MTL, spores ved hjælp af den nuværende protokol. Strukturer vist her, er den AMY (rød), HC (blå), Kina (gul), ERC (lyserød) og PHC (grøn) .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1.. Amygdala

  1. Anterior skiver af AMY
    1. Identificer den første skive af AMY, hvor limen insula første omgang ser ud, hvor den hvide substans forbindelsen mellem frontal-og tindingelapperne er kontinuerlig og synlig 30. I koronale opfattelse, bruge kantede bundle som inferolateral grænse for AMY.
    2. Find den optiske chiasm som et vartegn for udseendet af AMY. Brug aksiale og sagittale visninger til at skelne AMY i sine tidlige skiver fra den omgivende uncus. Følg den hvide substans tarmkanalen omkring AMY i aksial afbildning at udelukke entorhinal område 32.
    3. Flytning posteriort, identificere den første skive, hvor den forreste commissure er kontinuerlig i hele begge halvkugler 28, hvor Amy er synlig i sin typiske form. Spore AMY mod uret ved hjælp entorhinal sulcus som superomedial grænse, den imaginære linje fra fundus af semianular sulcus langs den hvide substans til ringere spidsen af AMY som inferomedial grænse, er den tidsmæssige stamme som den laterale grænse, og tilbage til entorhinal sulcus at afslutte sporing 31.
  2. Bageste skiver af AMY
    1. Bemærk, at på dette niveau, både AMY og HC er synlige i samme skive (r).
    2. Stadig i den koronale opfattelse identificere den sidste skive af AMY, hvor strukturen er overlegen i forhold til den mediale udvidelse af det tidsmæssige horn laterale ventrikel 36 (eller Alveus hvis ventrikel ikke er til stede), og lateralt for uncinate gyrus fremspringet af lederen af ​​HC. Kontroller sagittale og aksiale visninger for præcis og konsekvent sporing.
    3. Tegn en imaginær linje fra fundus ringere cirkulære sulcus af isolering på den optiske tarmkanalen af øverste grænse AMY 31, som også adskiller sig fra den grå substans i globus pallidus og putamen.
    4. Spore langsde halvmåneklappen gyrus som superomedial grænse og udelukke uncinate gyrus 32.. Brug det ringere horn af den laterale ventrikel og den tidsmæssige stilk for den laterale afgrænsning.
  3. Konsekutive Skiver af den AMY i Anterior-posterior retning
    1. Systematisk spore AMY skive-by-slice ved hjælp af de relevante retningslinjer ovenfor. På den forreste del af AMY, bruge de samme grænser som for anterior-mest skive; Omvendt ved den bageste del af AMY, bruger de samme grænser som for den bageste-mest skive.
    2. Fortsæt med at ansætte de aksiale og sagittale visninger til at hjælpe med at definere og præciserer de AMY grænser.

2. Hippocampus

  1. Lokalisere HC
    1. Begynd at spore HC når den tidsmæssige horn af den laterale ventrikel, vises langs inferolateral grænse af AMY. Hvis den tidsmæssige horn af den laterale ventrikel er allerede til stede på tidligere skiver, opmærksom på, at the debut af HC derefter angives af den tidsmæssige horn af den laterale ventrikel udvide og strække superolaterally.
    2. Afslut sporing af HC med sin sidste optræden inferomedial til trigone af den laterale ventrikel 31. Altid udnytte de alternative synspunkter til at hjælpe lokalisere HC og dets grænser.
  2. Border Definitioner af HC
    1. Afgrænse den laterale HC imod den tidsmæssige horn. I tilfælde, hvor den tidsmæssige horn af den laterale ventrikel ikke er opfattelig nok udelukke en række af voxels fra segmentering til at betegne det.
    2. Inferiorly bruge kantede bundt (eller dens imaginære forlængelse) til ventrikulære hulrum at adskille HC fra PHG. Brug Alveus sammen med fimbria som overlegen grænse. Spore HC bruge de samme definitioner i hele.
    3. Derudover omfatter subiculum i segmenteringen sådan, at det medialt grænser den hvide substans bundle PHG, overlegent på liniemed kurven af uncus, og strækker sig primært vandret fra HC 37. Sporing bagtil, vedligeholde disse definitioner, indtil calcarine sulcus griber ind.
  3. At bemærke divisioner HC
    1. Bemærk, at HC kan opdeles i tre segmenter: hoved, krop og hale.
    2. Brug udseende uncal apex at markere overgangen fra HC hoved til HC kroppen, og den hurtige stigende og ekspansion i størrelse, som typisk falder sammen med udseendet af crus af fornix, til at betyde udseende HC hale 23,30,38.
  4. Vær særlig opmærksom, når opsporing af de følgende strukturer.
    1. Medtag den bageste uncus i segmentering.
    2. Udelad plexus chorioideus over Alveus fra segmentering på koronale skiver, selvom det måske ikke er muligt på billeder i lavere opløsning.
    3. Der henvises til de to alternative synspunkter for at undgå optagelse af halen af ​​caudate og pulvinar ved den superiore side af HC-halen.
    4. Undgå optagelse af fascicular gyrus ved at bemærke dets fremkomst på niveau crus af fornix, hvor det oprindeligt er adskilt fra hippocampus hale af Fasciola cinerea og mere bagtil bliver grå substans overlegen calcarine sulcus 32.

Figur 2
Figur 2. Et repræsentativt sagittal skive af MTL spores ved hjælp af den nuværende protokol, viser sin aktuelle position i hjernen, og de ​​relative positioner blandt sine store strukturer, dvs AMY (rød), HC (blå), Kina (gul), ERC (lyserød) og PHC (grøn).

3.. Parahippocampal Gyrus

  1. At bemærke Divisioner af PHG
    1. Bemærk, at PHG can opdeles i to hovedsegmenter: den forreste PHG (dvs. Kina og ERC), og den bageste PHG (dvs. PHC).
    2. Bemærk, at i det forreste segment, vises Kina tidligere end ERC, og flanker det sideværts gennem hele sin kurs.
    3. Efter ERC forsvinder, opmærksom på, at Kina indordner sin plads på den PHG og fortsætter på 3 mm.
    4. Ud over dette segment spore bageste PHG, hvor PHC overtager bredde PHG indtil dens ende 30.
  2. Anterior skiver af PHG
    1. Definer den første bid af Kina med udseendet af CS 25,39. Før starten af ​​Det Europæiske Forskningsråd, spore Kina fra den mediale kant af den laterale bank af CS til den laterale fundus af gyrus af Schwalbe, eller at den mediale en, hvis to gyri af Schwalbe er til stede, eller midtpunktet af dorsal temporopolar overflade i mangel af denne gyrus 25,39.
    2. Begynd at spore ERC 5 mm anterior til limen isolering 40,41.
    3. Fortsætte sporingen ERC hjælp fundus mediale temporopolar sulcus som den overlegne ende 40 og fundus af semiringformede sulcus efter AMY vises, eller det punkt, hvor den imaginære forlængelse af den kantede bundt opfylder ventrikulære hulrum hvis semiringformede sulcus er skelnes 25. Bemærk, at den strækker sig inferiorly at imødekomme den ventrikulære hulrum eller pial overflade direkte.
    4. Grænsen mellem Kina og Det Europæiske Forskningsråd kan variere fra skive til skive.
      1. Når CS er dyb (≥ 1,5 cm), spore Kina fra den mediale kant af den mediale bank af denne sulcus, at midtpunktet af dens laterale bank 25.
      2. I tilfælde med en almindelig CS (dybde på 1-1,5 cm), spore Kina som området fra midtpunktet af mediale bank af sikkerhedsgrundlaget sulcus til den mediale ende af den laterale bred af sulcus 25.
      3. Med <em> lavvandet CS (<1 cm), spore Kina fra fundus af denne sulcus til midten af kronen af fusiform gyrus 25.
    5. Når CS afbrydes, sædvanligvis på niveau med den uncal spids, med en lille gyrus nye fra sin fundus, spore Kina til fundus af den laterale sulcus 25. Medtage eller udelukke hvide substans i henhold til mål for ROI.
    6. Trace ERC indtil 1,5 mm posteriort for uncal spids, eller enden af gyrus intralimbicus 42.
    7. Udvid sporing af Kina medialt til at besætte stedet for ERC efter dens afslutning, hvor definitionerne til sidstnævnte fortsat anvendelse indtil 4,5 mm posteriort for uncal spids, eller enden af gyrus intralimbicus 42. PRC derefter erstattet af PHC 25,30.
  3. Bageste skiver af PHG
    1. Start med at spore PHC på skive bageste til slutningen af ​​Kina, indtil 4 mm posteriort til than ende af HC hale 32.. Alternative definitioner fra litteraturen er beskrevet i Diskussion sektion. Igen, medtage eller udelukke hvide substans afhængigt af mål.
    2. Afgrænse PHC ved hjælp af den samme metode som beskrevet i den bageste del af Kina efter forsvinden af ​​Det Europæiske Forskningsråd. Brug også den hvide substans i den cingulum som den overlegne grænse, når det vises. Fortsæt med at spore på denne måde, indtil udseendet af calcarine sulcus, der begrænser PHC superomedially til den ringere kant af sulcus 30..
    3. Skulle en mini-sulcus vises før fremkomsten af ​​calcarine sulcus, medtage det i segmentering, men vær forsigtig med at differentiere det fra calcarine sulcus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustration af mulige forskelle mellem manuel og automatisk segmentering

En 3D-model af den manuelle segmentering for AMY, HC, Kina, ERC og PHC er vist i figur 1 og en sagittal sektion af segmentering er vist i fig. 2. Til det formål at illustrere ekstreme mulige forskelle mellem manuel og automatisk tracings blev skiver af AMY fra et repræsentativt emne med fejlagtige automatiseret segmentering sammenstillet med manuel sporing (se figur 3 nedenfor). Mens automatisk segmentering software var i stand til at genkende det centrale organ i de strukturer, dets segmentering var temmelig ru, hvilket resulterede i undervurdering af AMY volumen, i forhold til manuel segmentering.

Til illustration, blev resultaterne af manuel sporing i et fag i forhold til dem, der opnås fra automatisk segmentering usynge en automatisk segmentering program 43-45; var fokus på AMY og HC. Amy og HC mængder spores ved de to metoder blev også korrigeret for intrakraniel volumen (ICV) af emnet (tabel 1), ved hjælp af følgende to trin: 1) De volumetriske statistikker fra Amy og HC segmentations: manuel segmentering software beregnes automatisk statistikken for markerede områder volumen. Disse oplysninger blev hentet i "Volume og statistik" i Segmentation menuen, når den til-være-undersøgte segmentering sammen med sin gråskalabillede var input til softwaren. 2) ICV Beregning: Dette blev udført i tre trin, ved hjælp af tre programmer i en standard automatisk segmentering software 46.. Udvindingen blev anvendt til at ekstrahere hjernen volumen fra det oprindelige billede, stripping off ikke-hjernevæv såsom kraniet. Et delvolumen ekstraktion fremgangsmåde blev anvendt til at adskille cerebrospinalvæske (CSF), den grå substans ogden hvide substans. Endelig blev en statistik proces, der anvendes til at opsummere de partielle volumener at opnå ICV for emnet.

Figur 3
Fig. 3. Et ekstremt eksempel på eventuelle forskelle mellem resultaterne af manuel sporing (A) og automatisk segmentering (B). Vist her er coronal skive mod den forreste ende af AMY. Som det fremgår af sammenligningen, er automatisk segmentering software anerkendes kun en lille del af den venstre AMY, samtidig med at forsømme mere end halvdelen af ​​det væv, der kan identificeres som en del af AMY en ekspert menneskelige øje; lignende undervurdering, men i mindre grad, også forekom i den rigtige AMY.

Selv om figur 3 viser et eksempel af ekstrem misforhold mellem manuel og automatiseret sporing, mulighed for underestimat ion af volumen ved automatiseret segmentering stadig eksisterer 47. Disse forskelle er illustreret i tabel 1 nedenfor, som sammenligner resultaterne af manuel og automatiseret sporing af AMY og HC.

Tabel 1
Tabel 1. Repræsentative volumetriske resultater af bilaterale AMY og HC på et enkelt emne, fra manuel sporing ved hjælp af den nuværende protokol og automatisk segmentering. Automatisk segmentering har undervurderet omfanget af hver af de fire strukturer sammenlignes. Korrigerede volumen blev beregnet som forholdet mellem Voxel volumen og Intrakranielt volumen (ICV). Til dette emne, ICV = 1.446.616,73 mm 3. Klik her for at se en større version af dette tal.

jove_content "> fra disse resultater, er det klart, at den automatiske segmentering software kan være i stand til at give en fornuftig lokalisering af MTL strukturer, men at resultatet af dets segmentering kan yderligere modificeres og forfinet gennem manuelle justeringer for at imødekomme en højere grad af præcision .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Traditionelt har manuel segmentering været betragtet som guldstandarden af ​​mange forskere. Ikke desto mindre har en præcis afgrænsning af de enkelte strukturer er blevet kompliceret af meget varierende morfologi af MTL strukturer, og de normalt svage MRI kontraster af disse strukturer mod de omkringliggende neurale væv og ikke-neurale områder. Historisk set har der været modstridende beskrivelser i litteraturen for nogle MTL strukturer. I nogle tilfælde af segmentere Kina, for eksempel, sikkerhedsstillelse sulcus er blevet beskrevet som afbrudt 40,41, men det er tidligere blevet beskrevet i anden litteratur som en kort CS, der ikke overstiger niveauet for limen insulae 30.. Denne forskel i fortolkning har ført til forskellige anterior grænseområder definitioner for Kina, og dette kan forklare til en vis grad, hvorfor variationer er blevet observeret i segmentations enkelte strukturer på tværs af forskellige studier. Dette er et aspekt af segmentation hvor manuel sporing kan give unikke fordele, fordi visuel undersøgelse giver mulighed for tilpasning, som er vanskelig at gennemføre i automatisk segmentering. Dette kan også illustreres ved de kriterier, der anvendes i den nuværende protokol for at afgrænse Kina og Det Europæiske Forskningsråd. Notatet har dog nogle forskere foreslået altid definere den mediale grænse af Kina som midtpunktet af den mediale bank af CS, uanset sulcus dybde 30. Vedrørende den bageste PHC, på grund af den undertiden tvetydige grænse af den bageste PHC grænse er flere definitioner beskrevet i det eksisterende litteratur. I den nuværende protokol, er grænsen over opsigelsen af HC hale bruges til at afspejle den almindelige praksis med at måle PHC forbi HC i både anatomisk 32 og funktionelle forskning 48.. Imidlertid har den bageste PHC kant også blevet defineret som bliver placeret mere fortil, som 1,5 mm posteriort crus af fornix 42 og som den sidsteskive, hvor HC ligger inferomedially til trigonum af den laterale ventrikel 30.

Afhængigt af formålet med ROI og opløsningen af ​​billedet, kan forskerne vælge at medtage eller udelukke hvide substans i segmentering. For eksempel kan inddragelse af hvide substans være egnet til brug ROI i fMRI, på grund af typiske lavere opløsninger af de funktionelle i forhold til anatomiske scanninger. Et eksempel på dette tilbydes af en tidligere undersøgelse 1, som viser et MTL skive med en 4 x 4 mm gitter overlay (en typisk fMRI opløsning), hvor separation af hvidt stof og grå sagen ville være umuligt. I anatomisk forskning dog en hvid substans / grå stof separation er normalt udføres, men selv i anatomisk forskning er det nogle gange lettere at afgrænse de grænser, hvis de strukturer spores contiguously, hvilket kan føre til inddragelse af nogle hvide substans. Hvis udelukkelse af hvide substans foretrækkes, opsporing i boundaries, snarere end på dem, kan justere segmenteringen at undgå hvide substans volumen.

Målet med den nuværende protokol er at illustrere spore retningslinjerne i én deltager, men at gennemføre en segmentering protokol til forskningsformål, bør beregnes pålidelighed vurderinger for at kontrollere, at tracings er konsistente inden for og på tværs af sporstoffer. Afhængigt af formålet med studiet, er der flere modeller, der kan anvendes til at bestemme inter-og intra-rater pålidelighed 49 for manuel segmentering tracings. Sammenligninger mellem metoder, bør intraclass korrelationskoefficienter vurderes 50.

Fordelen ved manuel segmentering af MR scanning data er potentialet for øget præcision og tilpasningsevne tilladt af fleksibilitet i sporing og / eller foretage justeringer baseret på viden om anatomi implementeret i omfattende retningslinjer. Denne fleksibilitet kan supplere automatisk sporing. Derudoverbrugen af MR-scanning af in vivo hjerner som i den aktuelle eksempel giver mulighed for nogle metodiske fordele såsom forløbsundersøgelse, som måske ikke være muligt i andre metoder (f.eks., post mortem 51). Selv om det kan være svært at oversætte cytoarchitecture til MR-billeder, som anerkendt i et nyligt papir 42, kan brugen af bemærkelsesværdige vartegn give kontekstuelle retningslinjer, der er anvendelige på tværs af fag. I segmentere hele MTL er et sporstof given kontekst og fortrolighed med de omkringliggende strukturer, som giver et niveau af tilpasningsevne og fleksibilitet, der kan øge sporing nøjagtighed. Som vi skitsere i vores protokol, der er uoverensstemmelser i det eksisterende litteratur vedrørende grænserne for MTL strukturer. Manuel segmentering giver mulighed for fleksibilitet i gennemførelsen tracing retningslinjer, som ikke er så let opnåeligt ved automatisk segmentering algoritmer. Derudover fordel at have kendskab til de relevante anatomiske kendetegn erogså relevant, hvis den automatiske segmentering mislykkes, så der kan træffes på grundlag af god forståelse for sporing retningslinjer for de grænser MTL (under) regioner korrigerende foranstaltninger, som er beskrevet i vores protokol.

Selvom hastighed og effektivitet øges med træning, en praktisk begrænsning af manuel segmentering af hjernens strukturer er, at det kræver yderligere ekspertise i hjernens anatomi og en betydelig hengivenhed af tid og kræfter. Derfor, i forfølgelsen af ​​højere effektivitet, automatiske segmentering programmer er også ansat alternativt segmentering ROI. Men da resultaterne af manuel og automatisk segmentering i MTL illustreret her, kan den probabilistiske estimering ansat af automatisk segmentering software være mindre nøjagtig end manuel tilnærmelse i disse områder af hjernen. Den standard-software, der anvendes i den nuværende protokol er et af flere almindelige indstillinger 34, men de potentielle fordele og ulemper ved manuel segmentering compared til automatisk segmentering er ens uanset software valgt til automatisk segmentering.

Samlet set vores opfattelse er, at manuel og automatisk segmentering kan bruges som supplerende metoder. Vi foreslår, at automatiske sporingsforanstaltninger resultater kontrolleres og manuelt raffinerede, om nødvendigt, af ekspert sporstoffer. Den nuværende protokol giver et sæt retningslinjer for manuel sporing af MTL strukturer på høj opløsning MR-billeder. Ved at udnytte den finere opløsning af de nuværende billeder, kan strukturer og vartegn nøjagtigt fanget, således at de retningslinjer, der præsenteres her kan anvendes til billeder af en bred vifte af resolutioner. Sammen med de ledsagende visuelle materialer, ventes dette arbejde at sikre og fremme en bedre forståelse af den brutto anatomi af MTL strukturer, og at tilskynde til vedtagelse af manuel segmentering, enten som den vigtigste metode til MTL segmentering eller som en supplerende metode til automatisk segmentering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ITK-SNAP ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah ITK-SNAP v2.2
FSL Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group FSL v4.1
Siemens Magnetom Trio 3T MR Scanner Siemens Magnetom Trio 3T

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Amaral, D. G. Introduction: what is where in the medial temporal lobe. Hippocampus. 9, 1-6 (1999).
  2. Squire, L. R., Zola-Morgan, S. The medial temporal lobe memory system. Science. 253 (5026), 1380-1386 (1991).
  3. Eichenbaum, H., Otto, T., Cohen, N. J. The hippocampus: what does it do. Behavioral & Neural Biology. 57 (1), 2-36 (1992).
  4. Henke, K., Buck, A., Weber, B., Wieser, H. G. Human hippocampus establishes associations in memory. Hippocampus. 7 (3), 249-256 (1997).
  5. Tulving, E., Markowitsch, H. J. Episodic and declarative memory: role of the hippocampus. Hippocampus. 8 (3), 198-204 (1998).
  6. Dolcos, F., Iordan, A. D., Dolcos, S. Neural correlates of emotion–cognition interactions: a review of evidence from brain imaging investigations. Journal of Cognitive Psychology. 23 (6), 669-694 (2011).
  7. Davidson, R. J., Irwin, W. The functional neuroanatomy of emotion and affective style. Trends in Cognitive Sciences. 3 (1), 11-21 (1999).
  8. Lindquist, K. A., Wager, T. D., Kober, H., Bliss-Moreau, E., Barrett, L. F. The brain basis of emotion: a meta-analytic review. The Behavioral and Brain Sciences. 35 (3), 121-143 (2012).
  9. Phan, K. L., Wager, T., Taylor, S. F., Liberzon, I. Functional neuroanatomy of emotion: a meta-analysis of emotion activation studies in PET and fMRI. Neuroimage. 16 (2), 331-348 (2002).
  10. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19, 513-531 (2003).
  11. Zald, D. H. The human amygdala and the emotional evaluation of sensory stimuli. Brain Research Reviews. 41, 88-123 (2003).
  12. DeYoung, C. G., Hirsh, J. B., Shane, M. S., Papademetris, X., Rajeevan, N., Gray, J. R. Testing predictions from personality neuroscience: brain structure and the big five. Psychological Science. 21 (6), 820-828 (2010).
  13. Visser, P. J., Verhey, F. R., Hofman, P. A., Scheltens, P., Jolles, J. Medial temporal lobe atrophy predicts Alzheimer’s disease in patients with minor cognitive impairment. Journal of Neurology, Neurosurgery, & Psychiatry. 72 (4), 491-497 (2002).
  14. Ezekiel, F., et al. Comparisons between global and focal brain atrophy rates in normal aging and Alzheimer disease. Alzheimer Disease & Associated Disorders. 18 (4), 196-201 (2004).
  15. de Leon, M. J., et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145 (2007).
  16. Boccardi, M., et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. Journal of Alzheimer's Disease. 26, 61-75 (2011).
  17. Konrad, C., Ukas, T., Nebel, C., Arolt, V., Toga, A. W., Narr, K. L. Defining the human hippocampus in cerebral magnetic resonance images-an overview of current segmentation protocols. Neuroimage. 47 (4), 1185-1195 (2009).
  18. Hasboun, D., et al. MR determination of hippocampal volume: comparison of three methods. American Journal of Neuroradiology. 17 (6), 1091-1098 (1996).
  19. Pantel, J., et al. A new method for the in vivo volumetric measurement of the human hippocampus with high neuroanatomical accuracy. Hippocampus. 10, 752-758 (2000).
  20. Entis, J. J., Doerga, P., Barrett, L. F., Dickerson, B. C. A reliable protocol for the manual segmentation of the human amygdala and its subregions using ultra-high resolution MRI. Neuroimage. 60 (2), 1226-1235 (2012).
  21. Goncharova, I. I., Dickerson, B. C., Stoub, T. R., deToledo-Morrell, L. MRI of human entorhinal cortex: a reliable protocol for volumetric measurement. Neurobiology of Aging. 22, 737-745 (2001).
  22. Watson, C., et al. Anatomic basis of amygdaloid and hippocampal volume measurement by magnetic resonance imaging. Neurology. 42 (9), 1743-1750 (1992).
  23. Duvernoy, H. The human hippocampus: functional anatomy, vascularization, and serial sections with MRI. Third Edition. , Springer-Verlag Berlin Heidelberg. (2005).
  24. Amaral, D. G., Witter, M. P. The three-dimensional organization of the hippocampal formation: a review of anatomical data. Neuroscience. 31 (3), 571-591 (1989).
  25. Insausti, R., et al. MR volumetric analysis of the human entorhinal, perirhinal, and temporopolar cortices. American Journal of Neuroradiology. 19 (4), 659-671 (1998).
  26. Dolcos, F., LaBar, K. S., Cabeza, R. Interaction between the amygdala and the medial temporal lobe memory system predicts better memory for emotional events. Neuron. 42 (5), 855-863 (2004).
  27. Yushkevich, P. A., et al. User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability. Neuroimage. 31 (3), 1116-1128 (2006).
  28. Bonilha, L., Kobayashi, E., Cendes, F., Li, M. L. Protocol for volumetric segmentation of medial temporal structures using high-resolution 3-D magnetic resonance imaging. Human Brain Mapping. 22 (2), 145-154 (2004).
  29. Bronen, R. A., Cheung, G. Relationship of hippocampus and amygdala to coronal MRI landmarks. Magnetic Resonance Imaging. 9 (3), 449-457 (1991).
  30. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of temporopolar, perirhinal, entorhinal and parahippocampal cortex from high-resolution MR images: considering the variability of the collateral sulcus. Cerebral Cortex. 12 (12), 1342-1353 (2002).
  31. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of hippocampus and amygdala with high-resolution MRI and three-dimensional analysis software: minimizing the discrepancies between laboratories. Cerebral Cortex. 10 (4), 433-442 (2000).
  32. Duvernoy, H. The human brain: surface, three-dimensional sectional anatomy with MRI, and blood supply. Second Edition. , Springer-Verlag Wien. (1999).
  33. Amaral, D. G., Lavenex, P., et al. in The hippocampus book. Hippocampal neuroanatomy. , Oxford University Press. (2006).
  34. Blaizot, X., et al. The human parahippocampal region: I. temporal pole cytoarchitectonic and MRI correlation. Cerebral Cortex. 20 (9), 2198-2212 (2010).
  35. Ding, S. -L., Van Hoesen, G. W. Borders, extent, and topography of human perirhinal cortex as revealed using multiple modern neuroanatomical and pathological markers. Human Brain Mapping. 31 (9), 1359-1379 (2010).
  36. Ding, S. -L., Van Hoesen, G. W., Cassell, M. D., Poremba, A. Parcellation of human temporal polar cortex: a combined analysis of multiple cytoarchitectonic, chemoarchitectonic, and pathological markers. The Journal of Comparative Neurology. 514 (6), 595-623 (2009).
  37. Frankó, E., Insausti, A. M., Artacho-Pérula, E., Insausti, R., Chavoix, C. Identification of the human medial temporal lobe regions on magnetic resonance images. Human Brain Mapping. 35 (1), 248-256 (2014).
  38. Lehmann, M., et al. Atrophy patterns in Alzheimer's disease and semantic dementia: a comparison of FreeSurfer and manual volumetric measurements. Neuroimage. 49 (3), 2264-2274 (2010).
  39. Winterburn, J. L., et al. A novel in vivo atlas of human hippocampal subfields using high-resolution 3T magnetic resonance imaging. Neuroimage. 74, 254-265 (2013).
  40. Malykhin, N. V., Bouchard, T. P., Ogilvie, C. J., Coupland, N. J., Seres, P., Camicioli, R. Three-dimensional volumetric analysis and reconstruction of amygdala and hippocampal head, body and tail. Psychiatry research. Neuroimaging. 155 (2), 155-165 (2007).
  41. Patenaude, B., Smith, S. M., Kennedy, D. N., Jenkinson, M. A Bayesian model of shape and appearance for subcortical brain segmentation. Neuroimage. 56 (3), 907-922 (2011).
  42. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. Neuroimage. 23, (2004).
  43. Woolrich, M. W., et al. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. Neuroimage. 45, (2009).
  44. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Human Brain Mapping. 17 (3), 143-155 (2002).
  45. Morey, R. A., et al. A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes. Neuroimage. 45 (3), 855-866 (2009).
  46. Baldassano, C., Beck, D. M., Fei-Fei, L. Differential connectivity within the parahippocampal place area. Neuroimage. 75, 228-237 (2013).
  47. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 86 (2), 420-428 (1979).
  48. Bland, J. M., Altman, D. G. A note on the use of the intraclass correlation coefficient in the evaluation of agreement between two methods of measurement. Computers in Biology and Medicine. 20, 337-340 (1990).
  49. 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).

Tags

Neuroscience anatomi segmentering Medial Temporal Lobe MRI Manuel Tracing Amygdala Hippocampus Perirhinal Cortex entorhinal Cortex parahippocampal Cortex

Erratum

Formal Correction: Erratum: A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures
Posted by JoVE Editors on 09/01/2014. Citeable Link.

A correction was made to A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. Table 1 and its legend were updated. References 10 and 14 were also updated.

The references were updated from:

  1. Wager, T. D. & Smith, E. E. Neuroimaging studies of working memory: a meta-analysis. Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience. 3(4), 255-274 (2003).
  1. Scheltens, Ph, et al. Atrophyofmedialtemporallobeson MRIin 'probable' Alzheimer's disease and normal ageing: diagnostic value and neuropsychological correlates. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 55(10), 967-972, (1992).

to:

  1. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., & Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19 (3), 513-31, doi:10.1016/S1053-8119(03)00078-8 (2003).
  1. de Leon, M. J. et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer's disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145, doi:10.1196/annals.1379.012 (2007).

Table 1 had its legend updated from:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has underestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and Intracranial volume (ICV). For this subject, ICV = 1446616.73 mm3.

to:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has misestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and ICV. For this subject, ICV = 1599482.11 mm3. Please click here to view a larger version of this figure.

En omfattende protokol for manuel segmentering af Medial temporallap Structures
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moore, M., Hu, Y., Woo, S., O'Hearn, … More

Moore, M., Hu, Y., Woo, S., O'Hearn, D., Iordan, A. D., Dolcos, S., Dolcos, F. A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. J. Vis. Exp. (89), e50991, doi:10.3791/50991 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter