يتم تقديم خط أنابيب موحد لفحص مورفومتريا المادة الرمادية المخيخية. يجمع خط الأنابيب بين الأساليب الحديثة عالية الدقة لتحسين وأتمتة تقسيم المخيخ والتسجيل القائم على الفوكسل للمخيخ من أجل القياس الكمي الحجمي.
توفر خطوط متعددة من الأبحاث أدلة دامغة على دور المخيخ في مجموعة واسعة من الوظائف المعرفية والعاطفية ، والتي تتجاوز بكثير ارتباطها التاريخي بالتحكم الحركي. وقد زادت دراسات التصوير العصبي الهيكلية والوظيفية من تحسين فهم التشريح العصبي الوظيفي للمخيخ بما يتجاوز تقسيماته التشريحية ، مما يسلط الضوء على الحاجة إلى فحص الوحدات الفرعية المخيخية الفردية في التباين الصحي والأمراض العصبية. تقدم هذه الورقة خط أنابيب موحدا لفحص قياس المادة الرمادية المخيخية الذي يجمع بين النهج عالية الدقة والحديثة لتقسيم المخيخ الأمثل والآلي (التقسيم التشريحي التلقائي للمخيخ باستخدام U-Net Limited Optimization; ACAPULCO) والتسجيل القائم على voxel للمخيخ (قالب تحت الأرض غير متحيز مكانيا; SUIT) للقياس الكمي الحجمي.
وينطبق خط الأنابيب على نطاق واسع على مجموعة من الأمراض العصبية وهو مؤتمت بالكامل، مع التدخل اليدوي المطلوب فقط لمراقبة جودة المخرجات. خط الأنابيب متاح مجانا ، مع وثائق مصاحبة كبيرة ، ويمكن تشغيله على أنظمة التشغيل Mac و Windows و Linux. يتم تطبيق خط الأنابيب في مجموعة من الأفراد المصابين برنح فريدريش (FRDA) ، ويتم تقديم نتائج تمثيلية ، بالإضافة إلى توصيات بشأن التحليلات الإحصائية الاستدلالية على مستوى المجموعة. يمكن أن يسهل خط الأنابيب هذا الموثوقية والتكرار عبر الميدان ، مما يوفر في نهاية المطاف نهجا منهجيا قويا لتوصيف وتتبع التغيرات الهيكلية المخيخية في الأمراض العصبية.
المخيخ هو جزء من الدماغ يرتبط تاريخيا بالتحكم الحركي1،2،3 ويعتقد أنه يشارك بشكل متكامل في مجموعة صغيرة فقط من الأمراض النادرة ، مثل الرنح الموروث4. ومع ذلك ، فإن الخطوط المتقاربة للبحوث من دراسات التتبع التشريحي في الرئيسيات غير البشرية ، وكذلك دراسات الآفات البشرية والتصوير العصبي ، توفر أدلة دامغة على دور المخيخ في مجموعة واسعة من المعرفي5،6،7 ، والعاطفي8،9،10،11 ، وغيرها من الوظائف غير الحركية 7،12 (انظر 6 للمراجعة). علاوة على ذلك ، فإن تشوهات المخيخ متورطة بشكل متزايد في مجموعة واسعة من الاضطرابات العصبية والنفسية ، بما في ذلك مرض باركنسون13 ، ومرض الزهايمر 14،15 ، والصرع 16،17 ، والفصام 18 ، واضطراب طيف التوحد 19 . لذلك ، أصبح من الضروري دمج المخيخ في النماذج الوظيفية والهيكلية لأمراض الدماغ البشري والتباين السلوكي المعياري.
تشريحيا ، يمكن تقسيم المخيخ على طول محوره العلوي إلى المحور السفلي إلى ثلاثة فصوص: الأمامي والخلفي والفلوكولونودول. تنقسم الفصوص أيضا إلى 10 فصيصات يشار إليها بالأرقام الرومانية I-X20,21 (الشكل 1). يمكن أيضا تجميع المخيخ في مناطق خط الوسط (vermis) والجانبية (نصف الكرة الأرضية) ، والتي تتلقى على التوالي مدخلات من الحبل الشوكي والقشرة الدماغية. الفص الأمامي ، الذي يتكون من الفصيصات I-V ، ارتبط تقليديا بالعمليات الحركية وله روابط متبادلة مع القشرة الحركية الدماغية22. يرتبط الفص الخلفي ، الذي يتكون من الفصيصات VI-IX ، في المقام الأول بالعمليات غير الحركية11 وله روابط متبادلة مع قشرة الفص الجبهي ، والجدارية الخلفية ، والقشرة الدماغية الصدغية العليا 8,23. وأخيرا ، فإن الفص اللبد ، الذي يضم الفص اللصيص X ، له روابط متبادلة مع النوى الدهليزية التي تحكم حركات العين وتوازن الجسم أثناء الوقوف والمشي21.
أدت مجموعة متزايدة من الأعمال الحديثة باستخدام التصوير العصبي الوظيفي إلى تحسين فهم التشريح العصبي الوظيفي للمخيخ بما يتجاوز أقسامه التشريحية. على سبيل المثال ، تم استخدام تقنيات التصوير بالرنين المغناطيسي الوظيفي لحالة الراحة (fMRI) لرسم خريطة لنمط التفاعلات الوظيفية بين المخيخ والدماغ24. بالإضافة إلى ذلك ، باستخدام نهج التقسيم القائم على المهام ، أظهر كينغ وزملاؤه7 أن المخيخ يظهر نمطا غنيا ومعقدا من التخصص الوظيفي عبر اتساعه ، كما يتضح من الحدود الوظيفية المتميزة المرتبطة بمجموعة متنوعة من المهام الحركية والعاطفية والاجتماعية والمعرفية. وتسلط هذه الدراسات مجتمعة الضوء على أهمية فحص الوحدات الفرعية المخيخية الفردية لتطوير توصيفات بيولوجية كاملة لمشاركة المخيخ في كل من التباين الصحي والأمراض العصبية التي تتميز بتغيرات في بنية المخيخ و/أو وظيفته.
يركز هذا العمل على طرق قياس التغيرات المحلية في حجم المخيخ باستخدام التصوير بالرنين المغناطيسي الهيكلي في البشر. بشكل عام ، هناك طريقتان أساسيتان لتحديد حجم الدماغ الإقليمي باستخدام بيانات التصوير بالرنين المغناطيسي: التجزئة القائمة على الميزات والتسجيل القائم على voxel. وتستخدم نهج التجزئة القائمة على الميزات المعالم التشريحية والأطالس الموحدة لتحديد الحدود بين المناطق دون الإقليمية تلقائيا. تشمل حزم البرامج الرئيسية للتجزئة FreeSurfer 25 و BrainSuite26 و FSL-FIRST27. ومع ذلك ، فإن هذه الحزم لا توفر سوى أجزاء خشنة من المخيخ (على سبيل المثال ، وضع علامات على المادة الرمادية بأكملها والمادة البيضاء بأكملها في كل نصف كرة أرضية) ، وبالتالي تغفل الفصيصات المخيخية الفردية. هذه الأساليب عرضة أيضا لسوء التقسيم ، وخاصة الإفراط في إدراج الأوعية الدموية المحيطة.
تم تطوير خوارزميات جديدة للتعلم الآلي ووضع العلامات متعددة الأطلس ، والتي توفر تقسيما أكثر دقة ودقة للمخيخ ، بما في ذلك التصنيف التلقائي لخوارزمية الفصيصات المخيخية باستخدام التطور الضمني متعدد الحدود (ACCLAIM28,29) ، ومجموعة أدوات تحليل المخيخ (CATK 30) ، والقوالب المتعددة التي يتم إنشاؤها تلقائيا (MAGeT 31) ، والتقسيم التلقائي السريع للمخيخ البشري وفصيصاته (RASCAL 32 )، تجزئة الرسم البياني33، وتجزئة CEREbellum (CERES34). في ورقة بحثية حديثة تقارن بين أحدث أساليب تقسيم المخيخ المؤتمتة بالكامل ، وجد أن CERES2 يتفوق على النهج الأخرى المتعلقة بالتقسيم اليدوي القياسي الذهبي لفصيصات المخيخ35. في الآونة الأخيرة ، طور هان وزملاؤه36 خوارزمية للتعلم العميق تسمى ACAPULCO (التقسيم التشريحي التلقائي للمخيخ باستخدام U-Net مع التحسين المقيد محليا) ، والتي تعمل على قدم المساواة مع CERES2 ، ولها قابلية تطبيق واسعة على كل من المخيخ الصحي والضموري ، وهي متوفرة في تنسيق حاوية Docker و Singularity مفتوح المصدر للتنفيذ “الجاهز” ، وهي أكثر كفاءة من حيث الوقت من الأساليب الأخرى. تقوم أكابولكو تلقائيا بتقسيم المخيخ إلى 28 منطقة تشريحية.
على النقيض من التجزئة القائمة على الميزات ، تعمل مناهج التسجيل القائمة على voxel عن طريق تعيين التصوير بالرنين المغناطيسي بدقة إلى صورة قالب. لتحقيق هذا التعيين ، يجب تشويه voxels في الصورة الأصلية في الحجم والشكل. يوفر حجم هذا التشويه بشكل فعال مقياسا للحجم في كل فوكسل بالنسبة للقالب القياسي الذهبي. يعرف هذا النوع من التقييم الحجمي باسم “morphometry القائم على voxel”37. تستخدم أساليب التسجيل القائمة على فوكسل الدماغ بالكامل ، مثل FSL-FLIRT38 / FNIRT39 ، وتجزئة SPM الموحدة40 ، و CAT1241 ، بشكل شائع في المورفومترية القائمة على الفوكسل. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب لا تأخذ في الاعتبار بشكل جيد المخيخ ، مما يؤدي إلى ضعف الموثوقية والصلاحية في المناطق تحت الحمراء (المخيخ ، جذع الدماغ42). لحساب هذه القيود ، تم تطوير خوارزمية SUIT (قالب تحت منحاز مكانيا) لتحسين تسجيل المخيخ وتحسين دقة مورفومتريا القائم على فوكسل42,43.
وتنطوي نهج التقسيم القائمة على الميزات ونهج التسجيل القائمة على الفوكسل لتقدير حجم المخيخ الإقليمي على نقاط قوة وضعف أساسية. تعتبر مناهج التجزئة أكثر دقة بكثير لتحديد حجم المناطق المحددة تشريحيا (على سبيل المثال ، الفصيصات35). ومع ذلك ، فإن الحدود بين الوحدات الوظيفية المتميزة للمخيخ لا ترسم خريطة على folia التشريحية والشقوق (أي ما يعادل gyri و sulci من الدماغ7). وبما أن النهج القائمة على التسجيل ليست مقيدة بالمعالم التشريحية، فإن الاستدلال المكاني الأكثر دقة ورسم خرائط وظيفة البنية عالية الأبعاد للمخيخ أمر ممكن44. إذا أخذنا نهج التقسيم والتسجيل معا ، فإنهما مكملان لبعضهما البعض ويمكن استخدامهما للإجابة على أسئلة البحث المختلفة.
هنا ، يتم تقديم خط أنابيب موحد جديد ، والذي يدمج هذه النهج الحالية التي تم التحقق من صحتها لتوفير التقسيم الأمثل والآلي (ACAPULCO) والتسجيل القائم على الفوكسل للمخيخ (SUIT) للقياس الكمي الحجمي (الشكل 2). يعتمد خط الأنابيب على النهج المعمول بها لتشمل بروتوكولات مراقبة الجودة ، باستخدام التصور النوعي والكشف الكمي عن القيم المتطرفة ، وطريقة سريعة للحصول على تقدير للحجم داخل الجمجمة (ICV) باستخدام Freesurfer. خط الأنابيب مؤتمت بالكامل ، مع التدخل اليدوي المطلوب فقط للتحقق من مخرجات مراقبة الجودة ، ويمكن تشغيله على أنظمة التشغيل Mac و Windows و Linux. خط الأنابيب متاح مجانا دون أي قيود على استخدامه لأغراض غير تجارية ويمكن الوصول إليه من صفحة الويب الخاصة ببروتوكولات التصوير ENIGMA Consortium (تحت عنوان “ENIGMA Cerebellum Volumetrics Pipeline”) ، بعد الانتهاء من نموذج تسجيل موجز45.
يتم سرد جميع البرامج المطلوبة في جدول المواد ، وتتوفر برامج تعليمية مفصلة ، بما في ذلك عرض توضيحي مباشر ، عند تنزيل خط الأنابيب ، بالإضافة إلى البروتوكول الموضح أدناه. وأخيرا، يتم تقديم نتائج تمثيلية، من تنفيذ خط الأنابيب في مجموعة من الأشخاص المصابين برنح فريدريش (FRDA) والضوابط الصحية المطابقة للعمر والجنس، إلى جانب توصيات للتحليلات الاستدلالية الإحصائية على مستوى المجموعة.
المخيخ أمر بالغ الأهمية لمجموعة واسعة من الوظائف الحركية البشرية3 ، المعرفية 58 ، العاطفية10 ، واللغة 7,59 ومتورطة في العديد من الأمراض العصبية والنفسية. إن توافر نهج موحد وسهل التنفيذ لتحديد حجم المخيخ الإقليمي سيسهم في …
The authors have nothing to disclose.
تم تمويل العمل المقدم في هذه المخطوطة من قبل منحة أفكار المجلس الوطني الأسترالي للصحة والبحوث الطبية (NHMRC): APP1184403.
ACAPULCO pipeline files | 0.2.1 | http://enigma.ini.usc.edu/protocols/imaging-protocols/ | Please make sure to use acapulco version 0.2.1 |
Docker for Mac | https://docs.docker.com/desktop/mac/install/ | macOS must be version 10.14 or newer Docker requires sudo priviledges Docker imposes a memory (RAM) constraint on Mac OS. To increase the RAM, open Docker Desktop, go to Preferences and click on resources. Increase the Memory to the maximum |
|
Docker for Windows | https://docs.docker.com/docker-for-windows/install/ | ||
ENIGMA SUIT scripts | http://enigma.ini.usc.edu/protocols/imaging-protocols/ | ||
FreeSurfer | 7 | https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall | Following variables need to be set everytime you work with Freesurfer: export FREESURFER_HOME= ![]() ![]() source $FREESURFER_HOME/SetUpFreeSurfer.sh |
export SUBJECTS_DIR=![]() ![]() |
|||
FSL (for FSLeyes). Optional | 6 | https://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/FslInstallation | |
ICV pipeline files | http://enigma.ini.usc.edu/protocols/imaging-protocols/ | ICV pipeline can be run in two ways: 1) with docker/singularity. You will not require additionl software; 2) without docker/singularity- this involves running the ICV script (calculate_icv.py) manually. You will require the following additional software: Python version ![]() Python module pandas Python module fire Python module tabulate Python module Colorama |
|
https://github.com/Characterisation-Virtual-Laboratory/calculate_icv | |||
MATLAB* | 2019 or newer | https://au.mathworks.com/ | An academic license is required |
Singularity | 3.7 or newer | https://www.sylabs.io/docs/ | Prefered for high performance computing (HPC) clusters |
SPM | 12 | http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/software/spm12/ | Make sure spm12 and all subfolders are in your MATLAB path |
SUIT Toolbox | 3.4 | http://www.diedrichsenlab.org/imaging/suit_download.htm | Make sure you place SUIT toolbox in spm12/toolbox directory |
Troubleshooting manual and segmentation output examples | http://enigma.ini.usc.edu/protocols/imaging-protocols/ | ||
Tutorial manual and video | http://enigma.ini.usc.edu/protocols/imaging-protocols/ | Manual and accompanying live demonstration provide detailed step-by-step instructions on how to run the pipeline from start to finish. | |
*Not freely available; an academic license is required |