En omfattande protokoll för manuell segmentering av den mediala temporalloben strukturer

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

Föreliggande dokument beskriver ett omfattande protokoll för manuell spårning av den uppsättning av områden i hjärnan innefattande den mediala tinningloben (MTL): amygdala, hippocampus, och de tillhörande parahippocampal regioner (perirhinal, entorhinal och parahippocampal korrekt). Till skillnad från de flesta andra spåra protokoll finns, oftast med fokus på vissa MTL områden (t.ex., amygdala och / eller hippocampus), den integrativa perspektiv som antagits av dessa riktlinjer för spårning möjliggör tydlig lokalisering av alla MTL delområden. Genom att integrera information från många olika källor, bland annat ännu existerande spårning protokoll separat rikta olika MTL strukturer, histologiska rapporter och hjärnan atlaser, och med ett komplement till belysande visuellt material, ger det nuvarande protokollet en noggrann, intuitiv och praktisk guide för att förstå MTL anatomi. Behovet av sådana spårning riktlinjerbetonas också genom att illustrera eventuella skillnader mellan automatiska och manuella segmenteringsprotokoll. Denna kunskap kan tillämpas mot forskning som innefattar inte bara strukturella undersökningar MRI utan även strukturella-funktionella colocalization och fMRI-signalen extraktion från anatomiskt definierade ROI, friska och kliniska grupper.

Introduction

Den mediala temporalloben (MTL), en förmodad område på den högsta nivån av integration av sensorisk information ^1, har varit en frekvent föremål för riktade analyser. Till exempel hippocampus och de tillhörande parahippocampal områden har studerats utförligt i minnet forskning ^2-5. Dessutom har betydelsen av amygdala har ofta betonats i forskning undersöker känslor bearbetning och emotion-kognition interaktioner ^6-11. Nyligen har olika MTL regioner också fått uppmärksamhet i det framväxande området personlighets neurovetenskap, som förbinder struktur och funktion av dessa och andra områden i hjärnan till individuell variation i personlighetsdrag ^12. Bedömning av anatomi och funktion av de MTL strukturer kan vara viktig för att underlätta diagnos av degenerativa sjukdomar där specifika strukturella och funktionella avvikelser kan förekomma i olika MTL strukturer. Till exempel i Alzheimers sjukdom (AD), signifikant atrofé av entorhinalcortexen och hippocampus kan observeras ^13,14, och atrofi av hippocampus kan förutse övergången från mild kognitiv svikt till AD ^15. Automatisk segmenteringsalgoritmer har nyligen blivit populära för att segmentera kortikala och subkortikala strukturer, men som med alla verktyg, dessa program oundvikligen stöter på fel i vissa fall. I sådana fall en forskare bör utrustas med både kunskap och riktlinjer för att känna igen de anatomiska gränser MTL strukturer. Tendensen i den befintliga litteraturen har varit att rikta enskilda MTL delområden ^16-21, med många protokoll som tenderar att fokusera på hippocampus ^16-19.

Till skillnad från de flesta av de tillgängliga publicerade riktlinjer för MTL spårning ger föreliggande protokollet en omfattande uppsättning riktlinjer som möjliggör tydlig lokalisering av alla MTL delområden. Tracing riktlinjer för följande MTL strukturer beskrivs: amygdala (AMY), hippocampus (HC), den perirhinal cortex (PRC), entorhinalcortexen (ERC), och parahippocampal cortex (PHC). Den AMY och HC spåras först, och följs sedan av den parahippocampal gyrus (PHG) strukturer. Observera att den generiska termen HC används här för att hänvisa till den HC bildning, som omfattar HC korrekt, den subiculum, och det bakre segmentet av den uncus ^22-24. Observera också att det PHG kan delas in i två segment, den främre delen och den bakre delen. Inom den främre delen av PHG, kan den indelas i den laterala och mediala främre PHG, vars kortikala områden motsvarar Kina och det europeiska forskningsrådet, respektive. Den PHC, den kortikala område i den bakre delen av den PHG, motsvarar den parahippocampal cortex korrekt. För enkelhetens skull kommer vi att använda termerna Kina och ERC för att hänvisa till den laterala och mediala främre PHG, och PHC att hänvisa till den bakre PHG. Den segmetation för varje struktur börjar med en grov lokalisering av de främre och bakre kanter, tillsammans med andra relevanta landmärken, som sedan följs av den faktiska spårning utförs bit-för-bit i frontalplanet, i ett anterior-posterior/rostro-caudal riktning. I samtliga fall är de sagittala och axiella sektionerna kontrolleras noggrant för att hjälpa till lokalisering av anatomiska gränser och landmärken.

Behovet av sådana spårning riktlinjer illustreras också i figurerna uppvisar möjliga skillnaderna mellan utsignalen från automatiska och manuella segmenteringsprotokoll. Fördelen med ett protokoll som beskriver alla MTL strukturerna i det visuella formatet är att variationer i anatomin (t.ex., de säkerheter sulcus [CS] djup) som kan påverka gränsdefinitioner kan beskrivas i sammanhang med den omgivande anatomin (t.ex. , Kina och ERC mediala och laterala gränser varierar i läge beroende på djupet i CS ²⁵ </supp>). Det kanske inte är klar eller att förstå för en oerfaren spårämne eller en erfaren spårämne som bara spårar enstaka eller separata konstruktioner, och till vår kunskap, inte finns en sådan visuellt övergripande riktlinje.

Det nuvarande protokollet är en explicit presentation av riktlinjer som används för MTL spårning i en tidigare undersökning som identifierar differential bidrag från MTL underregioner till minnet förbättrar effekten av känslor ^26, anpassad till högre upplösning hjärnan bilder tillåts av den senaste utvecklingen inom strukturell magnetisk resonans (MR) imaging . Spårning illustreras på skanningar som erhållits från en frisk frivillig (kvinna, 24 år), med hjälp av en 3T MR skanner. Anatomiska bilder förvärvades som 3D MPRAGE (TR = 1800 ms, TE = 2,26 ms, FOV = 256 x 256 mm, voxel size = 1 x 0,5 x 0,5 mm) med ett förvärv vinkel parallellt med AC-PC. Om bilddata förvärvas med en annan förvärvs vinkel, t.ex. sned orientering, bör uppgifterna vara regridded till en parallell eller vinkelrät orientering till AC-dator, så att anatomiska landmärke beskrivningar översätter lämpligt. Bilderna har sedan översatts till NIfTI format och bidra till segmente programvara ²⁷ för manuell spårning. Scan data som används i det nuvarande protokollet samlades som en del av en studie som godkändes av Institutional Review Board, och volontären ges skriftligt samtycke.

Genom att dra information från olika separata spårning protokoll för dessa strukturer ^18-22,28-31, samt från anatomiska analyser och atlaser ^23,32,33, presenterar det nuvarande protokollet en omfattande uppsättning riktlinjer som tar upp brister i den befintliga litteraturen. Kompletteras med åtföljande visuellt material, är detta arbete förväntas främja bättre förståelse för MTL strukturerna, och väcka intresse för framtida forskning att anta manuell segmentering, antingen som en primär metod för MTL spårning eller som supplementary metod för automatisk segmentering. Genom att tillhandahålla en korrekt, intuitiv och praktisk guide för att förstå MTL anatomi, kommer detta protokoll att hjälpa forskarna identifiera var alla MTL underregioner, i förhållande till sina grannstrukturer, även om endast en del MTL strukturer är speciellt riktade för analyser. Detta kommer inte bara att öka lokaliseringsnoggrannhet, men kommer också att hjälpa spårämnen fatta välgrundade beslut i fall av morfologisk variation, vilket är högst troligt i MTL. Dessa riktlinjer kan tillämpas på forskning som innefattar strukturella och / eller funktionella MRI undersökningar av MTL, inklusive volymetriska analyser och hjärna upptäcka avvikelser, samt lokalisera förfaranden för funktionell, anatomisk och tractographic analyser, i friska grupper. Föreliggande protokoll kan också användas för att informera segmentering av MTL strukturer för patienter (t.ex. patienter med atrofi), om de stora anatomiska landmärken är relativt bevarade. Tracing klinisk ämnes "-data kan ta ytterligare tid och ansträngning, beroende på svårighetsgraden av atrofi och / eller anatomiska förändringar.

Det är viktigt att beakta skillnaden mellan gyri och cortex när man definierar ROI. Anatomiskt, gyrus avses här både vit substans och grå substans, medan cortex hänvisar till grå materia bara. Beroende på den avsedda användningen av ROI, kan segmente inkludera vita substansen eller utesluta det.

Vi rekommenderar att spåra som ska utföras i följd, underbyggnad av underbyggnad, en halvklot i taget. Vissa programpaket ³⁴ möjliggör spårning gränser som anges på en skiva som ska klistras in på följande skivor, en funktion som snabbar upp processen. Det är alltid klokt att referera den motsatta halvklotet som behövs, för att kontrollera en samstämmighet mellan de två sidorna (t.ex. att upptäcka anatomiska landmärken). Alternativt, parallell spårning av samma strukturer inom två halvklotets kan också utföras. Oavsett om spårning är sekventiell eller parallell, när processen är klar bör de spårämnen dubbelkolla slutresultatet och göra justeringar som behövs, refererar båda hjärnhalvorna och flera plan vyer. Beroende på erfarenheterna av spårämnet och upplösningen av bilddata, kan manuell segmentering av MTL för friska ämnesuppgifter tar 8-10 timmar eller mer, i fallet med en nybörjare spårämne, till 3-4 timmar, i Vid en erfaren en.

Figur 1. En 3D-översikt av MTL, spåras med hjälp av det nuvarande protokollet. Strukturer som visas här är den AMY (röd), HC (blå), Kina (gul), Europeiska forskningsrådet (rosa), och PHC (grön) .

Protocol

1. Amygdala Anterior Skivor av den AMY Identifiera den första bit av AMY där limen isolering först visas, där den vita substansen koppling mellan frontal och temporal loberna är kontinuerlig och synlig 30. I coronal uppfattning, använda vinkel bunt som inferolateral gränsen av AMY. Leta synnerven chiasm som ett landmärke för utseendet på AMY. Använd den axiella och sagittala vyer att skilja AMY i dess tidiga skivor från den omgivande uncus. Följ den vita substansen v…

Representative Results

Illustration av eventuella skillnader mellan manuell och automatisk segmentering En 3D-modell av den manuella segmente för AMY, HC, PRC, ERC och PHC visas i figur 1, och en sagittal sektion av segmentering visas i figur 2. I syfte att illustrera extrema eventuella skillnader mellan manuell och automatisk kurvor, skivor av AMY från ett representativt ämne med felaktig automatisk segmenteades sida vid sida med manuell spårning (se …

Discussion

Traditionellt har manuell segmente ansetts vara den gyllene standarden av många forskare. Trots detta har en exakt avgränsning av de enskilda strukturerna komplicerats av mycket varierande morfologi av MTL strukturerna, och de vanligtvis svaga MRI kontraster av dessa strukturer mot omgivande nervvävnad och icke-neurala områden. Historiskt sett har det funnits motstridiga beskrivningar i litteraturen för vissa MTL strukturer. I vissa fall av segmentera Kina, till exempel, de säkerheter sulcus har beskrivits som avb…

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