بروتوكول الشامل للتجزئة دليل الهياكل الفص الصدغي الإنسي
Summary
The present work provides a comprehensive set of guidelines for manually tracing the medial temporal lobe (MTL) structures. This protocol can be applied to research involving structural and/or combined structural-functional magnetic resonance imaging (MRI) investigations of the MTL, in both healthy and clinical groups.
Abstract
يصف الورقة بروتوكول شامل للبحث عن المفقودين دليل من مجموعة من مناطق الدماغ التي تضم الفص الصدغي الإنسي (MTL): اللوزة، الحصين، والمناطق المرتبطة parahippocampal (محيط بالأنف، المخية الأنفية الداخلية، وparahippocampal المناسبة). وخلافا لمعظم البروتوكولات تتبع الأخرى المتاحة، وعادة ما تركز على مناطق معينة MTL (على سبيل المثال، اللوزة و / أو قرن آمون)، والمنظور التكاملي الذي اعتمدته المبادئ التوجيهية الحالية تتبع يسمح للتوطين واضحة لجميع المناطق دون الإقليمية MTL. من خلال دمج المعلومات من مجموعة متنوعة من المصادر، بما في ذلك بروتوكولات تتبع موجودة بشكل منفصل استهداف مختلف الهياكل MTL والتقارير النسيجي، والأطالس الدماغ، ومع مكمل من المواد البصرية توضيحية، هذا البروتوكول يوفر دليل دقيق، بديهية، ومريحة للفهم MTL التشريح. الحاجة لمثل هذه المبادئ التوجيهية تتبعوأكد أيضا من خلال توضيح الخلافات المحتملة بين البروتوكولات تجزئة الآلي واليدوي. هذه المعرفة يمكن تطبيقها في مجال الأبحاث التي تنطوي ليس فقط التحقيقات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي ولكن أيضا هيكلية وظيفية colocalization وإشارة الرنين المغناطيسي الوظيفي من استخراج رويس تعريف تشريحيا، في مجموعات صحية والسريرية على حد سواء.
Introduction
الفص الصدغي الإنسي (MTL)، وهي منطقة المفترضة من أعلى مستوى تكامل المعلومات الحسية 1 وكان، وهو موضوع متكرر من التحليلات المستهدفة. على سبيل المثال، الحصين والمناطق المرتبطة parahippocampal وقد درس على نطاق واسع في مجال البحوث الذاكرة 2-5. أيضا، تم التأكيد على دور اللوزة في كثير من الأحيان في البحوث دراسة معالجة المشاعر والتفاعلات العاطفة الإدراك 6-11. في الآونة الأخيرة، تلقت مختلف المناطق MTL الانتباه أيضا في مجال علم الأعصاب الناشئة من الشخصية، الذي يربط بين بنية ووظيفة هذه ومناطق أخرى من الدماغ لاختلاف الأفراد في سمات الشخصية 12. يمكن تقييم التشريح وظيفة من الهياكل MTL تكون مهمة في تسهيل تشخيص الأمراض التنكسية التي يمكن أن تحدث التشوهات الهيكلية والوظيفية المحددة في الهياكل MTL مختلفة. على سبيل المثال، في مرض الزهايمر (AD)، وهي كبيرةالكأس من القشرة المخية الأنفية الداخلية والحصين ويمكن ملاحظة 13،14، وضمور الحصين يمكن التنبؤ الانتقال من الضعف الادراكي المعتدل إلى 15 م. أصبحت الخوارزميات تجزئة التلقائي في الآونة الأخيرة شعبية لبتجزئة الهياكل القشرية وتحت القشرية، ولكن كما هو الحال مع أي أداة، وهذه البرامج لا محالة تواجه أخطاء في بعض الحالات. في مثل هذه الحالات يجب أن تكون مجهزة الباحث مع كل من المعرفة ومبادئ توجيهية للاعتراف بحدود التشريحية للهياكل MTL. فقد كان الاتجاه في الأدب موجودة لاستهداف المناطق الفرعية MTL الفردية 16-21، مع العديد من البروتوكولات تميل إلى التركيز على الحصين 16-19.
خلافا لمعظم المبادئ التوجيهية المنشورة المتاحة للبحث عن المفقودين MTL، ويوفر هذا البروتوكول مجموعة شاملة من المبادئ التوجيهية التي تتيح للتوطين واضحة لجميع المناطق دون الإقليمية MTL. موصوفة تتبع المبادئ التوجيهية لهياكل MTL التالية: اللوزة (AMY)، وقرن آمون (HC)، وقشرة محيط بالأنف (جمهورية الصين الشعبية)، والقشرة المخية الأنفية الداخلية (ERC)، والقشرة parahippocampal (الرعاية الصحية الأولية). وتتبعت AMY وHC أولا، ثم تليها التلفيف parahippocampal (PHG) الهياكل. لاحظ أنه يتم استخدام مصطلح عام HC هنا أن أشير إلى تشكيل HC، الذي يشمل HC السليم، ومرفد، والجزء الخلفي من معقف 22-24. أيضا، لاحظ أن PHG يمكن تقسيمها إلى جزأين، الجزء الأمامي والجزء الخلفي. في الجزء الأمامي من PHG، ويمكن تقسيمها الى مزيد من PHG الأمامي الجانبي الإنسي والتي تتوافق مع جمهورية الصين الشعبية وهيئة الإنصاف والمصالحة المناطق القشرية، على التوالي. والرعاية الصحية الأولية، ومنطقة القشرية من الجزء الخلفي من PHG، يتوافق مع القشرة parahippocampal المناسبة. لأسباب البساطة، ونحن سوف تستخدم مصطلحات لجان المقاومة الشعبية وERC للإشارة إلى PHG الأمامي الجانبي الإنسي و، والرعاية الصحية الأولية للإشارة إلى PHG الخلفي. وsegmentation لكل هيكل يبدأ توطين الخام من الحدود الأمامية والخلفية، جنبا إلى جنب مع المعالم الأخرى ذات الصلة، والتي يتم بعد ذلك تليها تتبع تنفيذ الفعلي شريحة من قبل شريحة في الطائرة الاكليلية، في anterior-posterior/rostro-caudal الاتجاه. في جميع الحالات، ويتم رصد المقاطع السهمي والمحوري بشكل وثيق لمساعدة توطين الحدود التشريحية والمعالم.
ويتضح مدى الحاجة إلى هذه المبادئ التوجيهية تتبع أيضا في أرقام عرض الخلافات المحتملة بين الإخراج من البروتوكولات تجزئة الآلي واليدوي. الاستفادة من البروتوكول الذي يصف كل من الهياكل MTL في شكل المرئي الحالي هو أن الاختلافات في التشريح (على سبيل المثال، وتلم ضمانات [CS] العمق) التي يمكن أن تؤثر تعريفات الحدود يمكن وصفها في سياق مع التشريح المحيطة (مثل ، لجان المقاومة الشعبية وERC الإنسي والوحشي الحدود تختلف في المكان اعتمادا على عمق CS 25 </sتصل>). هذا قد لا يكون واضحا أو مفهوما إلى التتبع عديم الخبرة أو ذوي الخبرة الذين التتبع يتتبع فقط هياكل واحدة أو منفصلة، وعلى حد علمنا، لا يوجد مثل هذا المبدأ التوجيهي الشامل بصريا.
هذا البروتوكول هو عرضا صريحا من مبادئ توجيهية تستخدم لتتبع MTL في تحقيق سابق تحديد المساهمات الفرق الفرعية من MTL إلى تأثير الذاكرة تعزيز العاطفة 26، وتكييفها لأعلى الصور القرار الدماغ التي تسمح بها التطورات الأخيرة في الرنين المغناطيسي الهيكلي (MR) التصوير . ويتضح من تتبع على مسح تم الحصول عليها من المتطوعين الأصحاء (الإناث، تتراوح أعمارهم بين 24)، وذلك باستخدام الماسح الضوئي 3T MR. تم الحصول على صور تشريحية كما 3D MPRAGE (TR = 1،800 مللي ثانية؛ TE = 2.26 ميللي ثانية؛ فوف = 256 × 256 ملم، وحجم فوكسل = 1 × 0.5 × 0.5 مم) مع زاوية موازية لاقتناء AC-PC. إذا تم الحصول على بيانات الصورة مع زاوية اقتناء مختلفة، مثل التوجه منحرف، يجب أن تكون البيانات ريجridded إلى موازية أو عمودية على اتجاه AC-PC، ان هذه الأوصاف المعالم التشريحية يترجم بشكل مناسب. الصور ثم تم ترجمتها إلى تنسيق NIFTI والمدخلات في صناعة البرمجيات تجزئة 27 للبحث عن المفقودين اليدوي. وقد تم جمع بيانات المسح المستخدمة في البروتوكول الحالي كجزء من الدراسة التي وافق عليها مجلس المراجعة المؤسساتي، والمتطوع تقديم موافقة خطية.
من خلال الاعتماد على معلومات من مختلف بروتوكولات منفصلة لتتبع هذه الهياكل 18-22،28-31، وكذلك من التحليلات والأطالس 23،32،33 التشريحية، ويعرض هذا البروتوكول مجموعة شاملة من المبادئ التوجيهية التي تعالج التناقضات في الأدب موجودة. تكملها المواد البصرية المصاحبة لها، ومن المتوقع هذا العمل إلى تعزيز فهم أوضح للهياكل MTL، وإثارة الاهتمام من البحوث المستقبلية في اعتماد تجزئة دليل، إما الوسيلة الرئيسية لتتبع MTL أو باعتباره supplementaطريقة راي لتجزئة التلقائي. من خلال توفير دليل دقيق، بديهية، ومريحة لفهم التشريح MTL، وهذا البروتوكول تساعد الباحثين تحديد موقع جميع المناطق الفرعية MTL، نسبة إلى الهياكل المجاورة لها، حتى عندما يتم استهداف سوى بعض هياكل MTL خصيصا للتحليلات. وهذا ليس فقط زيادة دقة التعريب ولكن سوف يساعد أيضا استشفاف اتخاذ قرارات مستنيرة في حالات الاختلاف الصرفي، والتي من المرجح للغاية في MTL. هذه المبادئ التوجيهية يمكن تطبيقها على البحوث التي تجرى على التحقيقات التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي و / أو وظيفية من MTL، بما في ذلك تحليل الحجمي والدماغ الشذوذ الكشف، فضلا عن إجراءات لتوطين الوظائف، التشريحية، والتحليلات tractographic، في مجموعات صحية. ويمكن أيضا أن تستخدم هذا البروتوكول لإعلام تجزئة هياكل MTL للمرضى (على سبيل المثال، المرضى الذين يعانون من ضمور)، إذا تم الحفاظ على المعالم التشريحية الكبرى نسبيا. تتبع الموضوع السريريةيمكن البيانات ق 'يستغرق وقتا وجهدا إضافيين، وهذا يتوقف على شدة ضمور و / أو التغيرات التشريحية.
فمن المهم النظر في التمييز بين تلافيف والقشور عند تحديد العائد على الاستثمار. تشريحيا، التلفيف هنا يشير إلى كل من المادة البيضاء والمادة الرمادية، في حين يشير القشرة إلى اللون الرمادي المسألة فقط. اعتمادا على الاستخدام المقصود من العائد على الاستثمار، ويمكن أن تشمل التقسيمات المادة البيضاء أو استبعاده.
نوصي تتبع المراد تنفيذها بالتتابع، طيدة بواسطة طيدة، نصف الكرة الأرضية في وقت واحد. حزم برامج معينة تسمح لتعقب 34 الحدود المبينة على شريحة واحدة ليتم لصقها على شرائح لاحقة، وهي الميزة التي يسرع العملية. فمن المستحسن دائما للإشارة إلى نصف الكرة معارضة حسب الحاجة، من أجل التحقق من وجود الاتساق عبر الجانبين (على سبيل المثال، في الكشف عن معالم تشريحية). بدلا من ذلك، تتبع موازية من نفس الهياكل داخل نصف الكرة اثنينو يمكن أيضا أن يؤديها. بغض النظر عن ما إذا كانت تتبع متسلسلة أو متوازية، وبمجرد اكتمال العملية، واستشفاف يجب المزدوج تحقق النتيجة النهائية وإجراء التعديلات حسب الحاجة، الرجوع نصفي الكرة الأرضية وجهات نظر متعددة الطائرة. اعتمادا على تجربة التتبع والقرار من بيانات التصوير، وتجزئة اليدوي للبيانات MTL لموضوع صحي يمكن أن يستغرق 8-10 ساعة أو أكثر، في حالة وجود التتبع المبتدئ، ل3-4 ساعة، في حالة واحدة من ذوي الخبرة.
نظرة عامة الشكل 1. A 3D من MTL، تتبع باستخدام هذا البروتوكول. الهياكل المعروضة هنا هي AMY (الحمراء)، وHC (الأزرق)، لجان المقاومة الشعبية (الصفراء)، هيئة الإنصاف والمصالحة (الوردي)، والرعاية الصحية الأولية (الأخضر) .
Protocol
Representative Results
Discussion
تقليديا، فقد اعتبر تجزئة دليل معيار الذهب من قبل العديد من الباحثين. ومع ذلك، فقد تعقدت على ترسيم دقيق للهياكل الفردية عن طريق التشكل متغير بدرجة كبيرة من الهياكل MTL، والتناقضات التصوير بالرنين المغناطيسي عادة ما تكون ضعيفة من هذه الهياكل ضد المناطق الأنسجة العصبية …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This research was supported by funds to FD. MM was supported by an IGERT Fellowship under National Science Foundation Grant No. 0903622. The authors wish to thank the Dolcos Lab members for assistance with data collection and preparation.
Materials
| 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 | |
| 3T Siemens Trio MR Scanner | Siemens | 3T Trio |
References
- Amaral, D. G. Introduction: what is where in the medial temporal lobe. Hippocampus. 9, 1-6 (1999).
- Squire, L. R., Zola-Morgan, S. The medial temporal lobe memory system. Science. 253 (5026), 1380-1386 (1991).
- Eichenbaum, H., Otto, T., Cohen, N. J. The hippocampus: what does it do. Behavioral & Neural Biology. 57 (1), 2-36 (1992).
- Henke, K., Buck, A., Weber, B., Wieser, H. G. Human hippocampus establishes associations in memory. Hippocampus. 7 (3), 249-256 (1997).
- Tulving, E., Markowitsch, H. J. Episodic and declarative memory: role of the hippocampus. Hippocampus. 8 (3), 198-204 (1998).
- 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).
- Davidson, R. J., Irwin, W. The functional neuroanatomy of emotion and affective style. Trends in Cognitive Sciences. 3 (1), 11-21 (1999).
- 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).
- 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).
- 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).
- Zald, D. H. The human amygdala and the emotional evaluation of sensory stimuli. Brain Research Reviews. 41, 88-123 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hasboun, D., et al. MR determination of hippocampal volume: comparison of three methods. American Journal of Neuroradiology. 17 (6), 1091-1098 (1996).
- 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).
- 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).
- 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).
- Watson, C., et al. Anatomic basis of amygdaloid and hippocampal volume measurement by magnetic resonance imaging. Neurology. 42 (9), 1743-1750 (1992).
- Duvernoy, H. The human hippocampus: functional anatomy, vascularization, and serial sections with MRI. Third Edition. , (2005).
- Amaral, D. G., Witter, M. P. The three-dimensional organization of the hippocampal formation: a review of anatomical data. Neurosciences. 31 (3), 571-591 (1989).
- Insausti, R., et al. MR volumetric analysis of the human entorhinal, perirhinal, and temporopolar cortices. American Journal of Neuroradiology. 19 (4), 659-671 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bronen, R. A., Cheung, G. Relationship of hippocampus and amygdala to coronal MRI landmarks. Magnetic Resonance Imaging. 9 (3), 449-457 (1991).
- 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).
- 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).
- Duvernoy, H. . The human brain: surface, three-dimensional sectional anatomy with MRI, and blood supply. Second Edition. , (1999).
- Amaral, D. G., Lavenex, P., et al. . in The hippocampus book. Hippocampal neuroanatomy. , (2006).
- Blaizot, X., et al. The human parahippocampal region: I. temporal pole cytoarchitectonic and MRI correlation. Cerebral Cortex. 20 (9), 2198-2212 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. Neuroimage. 23, (2004).
- Woolrich, M. W., et al. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. Neuroimage. 45, (2009).
- Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Human Brain Mapping. 17 (3), 143-155 (2002).
- 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).
- Baldassano, C., Beck, D. M., Fei-Fei, L. Differential connectivity within the parahippocampal place area. Neuroimage. 75, 228-237 (2013).
- Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 86 (2), 420-428 (1979).
- 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).
- 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).
