Alta resolución<em> En Vivo</em> Protocolo Segmentación Manual for Human hipocampo subcampos Usando 3T Imágenes por Resonancia Magnética
Summary
The goal of this manuscript is to study the hippocampus and hippocampal subfields using MRI. The manuscript describes a protocol for segmenting the hippocampus and five hippocampal substructures: cornu ammonis (CA) 1, CA2/CA3, CA4/dentate gyrus, strata radiatum/lacunosum/moleculare, and subiculum.
Abstract
El hipocampo humano ha sido ampliamente estudiada en el contexto de la memoria y la función normal del cerebro y su papel en diferentes trastornos neuropsiquiátricos se ha estudiado en gran medida. Mientras que muchos estudios de imagen tratan el hipocampo como una sola estructura unitaria neuroanatómico, es, de hecho, compuesta de varios subcampos que tienen una geometría tridimensional compleja. Como tal, se sabe que estos subcampos realizan funciones especializadas y se ven afectados diferencialmente a través del curso de diferentes estados de enfermedad. Formación de imágenes por resonancia magnética (MR) se puede utilizar como una herramienta poderosa para interrogar a la morfología del hipocampo y sus subcampos. Muchos grupos utilizan software avanzado de imágenes y el hardware (> 3T) a la imagen de los subcampos; sin embargo, este tipo de tecnología puede no estar disponible en la mayoría de los centros de investigación y de imagen clínica. Para hacer frente a esta necesidad, este manuscrito proporciona un protocolo detallado paso a paso para la segmentación de la longitud anteroposterior completadel hipocampo y sus subcampos: cornu ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentado (DG), estrato radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM) y subículo. Este protocolo se ha aplicado a cinco sujetos (3F, 2M; 29 a 57 años de edad, AVG 37.). Fiabilidad Protocolo se evalúa resegmenting derecho o hipocampo izquierdo de cada sujeto y calculando la superposición utilizando kappa métrica de los dados. La media de kappa de Dados (rango) en los cinco temas son: toda hipocampo, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (desde 0,77 hasta 0,79); CA2 / CA3, 0,64 (0,56 a 0,73); CA4 / giro dentado, 0,83 (0,81-0,85); estratos radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); y subículo 0,75 (0,72 a 0,78). El protocolo de segmentación que aquí se presenta proporciona otros laboratorios con un método fiable para estudiar los subcampos del hipocampo hipocampo y in vivo utilizando herramientas MR comúnmente disponibles.
Introduction
El hipocampo es una estructura lóbulo temporal medial ampliamente estudiado que está asociado con la memoria episódica, la navegación espacial, y otras funciones cognitivas 10,31. Su papel en trastornos neurodegenerativos y neuropsiquiátricos tales como la enfermedad de Alzheimer, la esquizofrenia y el trastorno bipolar está bien documentada 4,5,18,24,30. El objetivo de este manuscrito es proporcionar detalles adicionales al protocolo de segmentación manual publicado previamente 34 para los subcampos del hipocampo humanos en las imágenes de alta resolución de resonancia magnética (RM) adquiridos en el 3T. Además, el componente de vídeo que acompaña este manuscrito proporcionará más ayuda a los investigadores que deseen implementar el protocolo en sus propias bases de datos.
El hipocampo puede ser dividido en subcampos basado en diferencias cytoarchitectonic observadas post-mortem en preparados histológicamente-especímenes 12,22. Tales muestras post mortem definen el ground verdad para la identificación y estudio de los subcampos del hipocampo; Sin embargo los preparativos de esta naturaleza requieren habilidades y equipo para la tinción especializados, y están limitados por la disponibilidad de tejido fijado, sobre todo en las poblaciones enfermas. En vivo de imágenes tiene la ventaja de un grupo mucho mayor de temas, y también presenta la oportunidad para la siguiente estudios de seguimiento y observación de los cambios en las poblaciones. Aunque se ha demostrado que la intensidad de señal en ex vivo las imágenes de RM potenciadas en T2 reflejar la densidad celular 13, todavía es difícil identificar las fronteras indiscutibles entre subcampos utilizando únicamente la intensidad de señal de RM. Como tal, un número de diferentes enfoques para la identificación de detalles a nivel de la histología en las imágenes de RM se han desarrollado.
Algunos grupos han hecho esfuerzos para reconstruir y digitalizar conjuntos de datos histológicos y luego utilizar estas reconstrucciones, junto con técnicas de registro de imágenes para localizar neuroanat subcampo del hipocamponomía en in vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. Aunque se trata de una técnica eficaz para el mapeo de una versión de la realidad sobre el terreno histológico directamente sobre las imágenes de RM, reconstrucciones de esta naturaleza son difíciles de completar. Proyectos como éstos están limitados por la disponibilidad de muestras intactas medial del lóbulo temporal, técnicas histológicas, la pérdida de datos durante el procesamiento histológico y las inconsistencias morfológicas fundamentales entre cerebros vivo fijos y en. Otros grupos han utilizado escáneres de alto campo (7T o 9.4T), en un esfuerzo para adquirir in vivo o ex vivo con imágenes lo suficientemente pequeño (0,20 a 0,35 mm isotrópica) tamaño voxel para visualizar espacialmente localizados diferencias de contraste de la imagen que se utilizan para inferir límites entre subcampos 35,37. Incluso en 7T-9.4T y con un tamaño tan pequeño voxel, las características de los subcampos del hipocampo cytoarchitectonic no son visibles. Como tal, los protocolos manuales de segmentación se han desarrollado que unpproximate los límites histológicos conocidos en las imágenes de RM. Estos protocolos determinan los límites de subcampo interpretando diferencias de contraste de imagen local y la definición de reglas geométricas (tales como líneas rectas y ángulos) relativos a las estructuras visibles. Aunque las imágenes tomadas en una alta intensidad de campo son capaces de ofrecer una visión detallada de los subcampos del hipocampo, escáneres de alto campo aún no son comunes en el ámbito clínico o de investigación, por lo que los protocolos 7T y 9.4T actualmente han aplicabilidad limitada. Protocolos similares se han desarrollado para las imágenes recogidas en el 3T y 4T escáneres 11,20,21,23,24,25,28,33. Muchos de estos protocolos se basan en imágenes con dimensiones voxel voxels sub-1mm en el plano coronal, pero tienen grandes espesores rebanada (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 o grandes distancias entre cortes 20,28, ambos de los cuales resultan en un margen de error significativo en la estimación de los volúmenes de los subcampos individuales. Además, muchos de los protocolos existentes 3Texcluir subcampos en la totalidad o parte de la cabeza o la cola del hipocampo 20,23,25,33 o no proporcionan segmentaciones detalladas de subestructuras importantes (es decir, combinar la DG con CA2 / CA3 o no incluyen los estratos radiatum / lacunosum / moleculare de la CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Existe por tanto una necesidad en el campo para una descripción detallada de un protocolo que puede identificar de forma fiable subcampos pertinentes de toda la cabeza, el cuerpo, y la cola del hipocampo que se basa en un escáner comúnmente disponibles en entornos clínicos y de investigación. Se están llevando a cabo por el Grupo de subcampos del hipocampo (www.hippocampalsubfields.com) para armonizar el proceso de segmentación subcampo del hipocampo entre los laboratorios, similar a un esfuerzo de armonización existente para toda la segmentación del hipocampo 6, y un documento inicial de la comparación de 21 protocolos existentes se publicó recientemente 38 . El trabajo de este grupo será dilucidar proce óptima segmentaciónmientos.
Este manuscrito ofrece detalladas instrucciones de vídeo escritos y para la aplicación de forma fiable el protocolo de segmentación subcampo del hipocampo descrito previamente por Winterburn y sus colegas 34 de alta resolución de imágenes de RM 3T. El protocolo ha sido implementado en cinco imágenes de los controles sanos para toda el hipocampo y cinco subcampos del hipocampo (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus dentado, estrato radiatum / lacunosum / moleculare y subiculum). Estas imágenes segmentadas están a disposición del público en línea (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). El protocolo y las imágenes segmentadas serán útiles para los grupos que deseen estudiar detallada neuroanatomía hipocampo en las imágenes de RM.
Protocol
Representative Results
Discussion
Segmentación subcampo del hipocampo en las imágenes de RM está bien representada en la literatura. Sin embargo, los protocolos existentes no incluyen porciones del hipocampo 20,23,33,35, se aplican sólo a imágenes fijas 37, o requieren escáneres ultra-altas de campo para la adquisición de imágenes 35,37. Este manuscrito ofrece un protocolo de segmentación que incluye cinco subdivisiones principales (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus dentado, SR / SL / SM, y subiculum del hipocampo) y …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer el apoyo de la Fundación CAMH, gracias a Michael y Sonja Koerner, la Familia Kimel, y el premio Catalyst Nueva investigador Paul E. Garfinkel. Este proyecto fue financiado por el Fonds de Recherches Santé Québec, los Institutos Canadienses de Investigación en Salud (CIHR), Ciencias Naturales e Ingeniería de Investigación de Canadá, el Instituto del Cerebro Weston, la Sociedad de Alzheimer de Canadá, y el Zorro Fundación Michael J. para la Investigación de Parkinson (MMC), así como CIHR, la Fundación Ontario salud mental, NARSAD, y el Instituto Nacional de Salud Mental (R01MH099167) (ANV). Los autores también desean agradecer a Anusha Ravichandran de ayuda la adquisición de las imágenes.
Materials
| Discovery MR750 3T | GE | NA | Or equivalent 3T scanner |
| Minc Tool Kit | McConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological Institute | NA | Open source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit |
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