Hoge-resolutie structurele Magnetic Resonance Imaging van de Human subcortex<I> In Vivo</I> En Postmortem
Summary
Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.
Abstract
De focus van deze studie was om de resolutie grenzen van structurele MRI van een postmortem hersenen vergeleken met levende menselijke hersenen te testen. De resolutie van de structurele MRI in vivo uiteindelijk beperkt door fysiologische geluid, waaronder trilling, ademhaling en beweging van het hoofd. Hoewel beeldvormende hardware blijft verbeteren, is het nog steeds moeilijk om structuren te lossen op millimeterschaal. Bijvoorbeeld, de primaire visuele gevoelsbanen synaps in de laterale geniculate nucleus (LGN), een visueel relais en controle nucleus in de thalamus die normaal is georganiseerd in zes interleaved monoculaire lagen. Neuroimaging studies zijn niet in staat om op betrouwbare wijze te onderscheiden deze lagen vanwege hun geringe omvang die minder dan 1 mm dik is.
De oplossing maximaal aantal structurele MRI, een postmortem hersenen werd getest met meerdere beelden gemiddeld over een lange duur (~ 24 uur). Het doel was om te testen of het mogelijk is de individuele l lossenAyers van LGN in afwezigheid van fysiologische ruis. Een proton dichtheid (PD) 1 gewogen pulsreeks werd gebruikt met variërende resolutie en andere parameters om het minimum aantal beelden moeten worden geaccrediteerd en gemiddeld betrouwbaar onderscheiden LGN en andere subcorticale gebieden. De resultaten werden eveneens vergeleken met beelden die in levende menselijke hersenen. In vivo proefpersonen werden om de extra effecten van fysiologische ruis bepaalt het minimum aantal PD scans nodig subcorticale structuren bruikbaar bij klinische toepassingen onderscheiden gescand.
Introduction
Het doel van dit onderzoek was om de resolutie grenzen van structurele MRI testen zonder fysiologische ruis. Proton dichtheid (PD) gewogen beelden werden in een postmortem brain verworven gedurende een lange duur (twee ~ 24 uur sessies) om het minimum aantal beelden dat moest worden geaccrediteerd en gemiddeld om de subcorticale structuren lossen. Ter vergelijking werden gewogen PD beelden verwierf ook in levende mensen over een aantal sessies. In het bijzonder was het doel na te gaan of het mogelijk is in een best-case scenario voor alle zes afzonderlijke lagen van de menselijke LGN, die ongeveer 1 mm dik (figuur 1) op te lossen.
Figuur 1. Human corpus geniculatum laterale lagen. Schematische weergave van de gelaagde structuur van de LGN. Magnocellular (M) lagen bestaan uit grotere neuronalecelgrootte en kleinere celdichtheid die verantwoordelijk zijn voor het oplossen van beweging en natuurlijk contouren zijn (lagen 1-2, afgebeeld als donkergrijs). Parvocellulaire lagen (P) bestaan uit kleinere neuronale cellen en grotere celdichtheid die verantwoordelijk zijn voor het oplossen van fijne vorm en kleur (lagen 4-6, afgeschilderd als het licht grijs) zijn. Schaal bar 1 mm. Cijfer gebaseerd op gekleurd menselijk LGN 12.
Ruimtelijke resolutie in MRI wordt verbeterd wanneer de matrix grootte wordt verhoogd, en wanneer het veld of-view (FOV) en slice dikte zijn verminderd. Echter, hogere resolutie vermindert de signaal-ruisverhouding (SNR), die evenredig is aan het voxel-volume. SNR is ook evenredig met de vierkantswortel van het aantal metingen. In levende mensen, hoewel meerdere beelden op een aantal afzonderlijke beeldvorming sessies kunnen worden verkregen, wordt de uiteindelijke resolutie beperkt door fysiologische ruis, zoals ademhaling, bloedsomloop pulsaties en hoofdbewegingen.
Hoog-Resolutie (0,35 mm in-plane voxels) PD gewogen scans werden verworven. PD scans verbeteren grijze en witte contrast in de thalamus 1 en leiden tot beelden die T 1 en T2 te minimaliseren. Het beeld is afhankelijk van de dichtheid van protonen in de vorm van water en macromoleculen zoals proteïnen en vetten in het beeldvolume. Het toegenomen aantal protonen in een weefsel leidt tot een helderder signaal op het beeld als gevolg van de hogere longitudinale magnetisatie 2.
PD-gewogen scans werden verzameld, aangezien ze een hoger contrast van subcorticale structuren met het omliggende weefsel. Andere contrasten, zoals T1- en T2-gewogen beelden tot moeilijkheden bij het afbakenen subcorticale structuren zoals de LGN vanwege kleinere contrast-to-noise ratio, bepaald ƒ 1,3.
Ook eerdere studies bleek dat PD-gewogen beelden van formaline gefixeerde post-mortem hersenen resulted hogere contrastverschillen tussen grijze en witte stof in vergelijking met T1 en T2-gewogen beelden die vergelijkbaar grijze en witte stof beeld intensiteiten 3,4 had. De achterliggende biofysische factoren kunnen deze verschillen te verklaren. T1 (lengterichting) en T2 (dwars) ontspanning tijden van waterstofprotonen afhangen van hoe het water beweegt binnen het weefsel. Fixatieven zoals formaline werk van cross-linking proteïnen. De verschillen tussen watermobiliteit gereduceerd tussen verschillende weefseltypen als fixeermiddelen gebruikt. Verminderde T1 delen contrast waargenomen na fixatie, terwijl de verschillen in de relatieve dichtheid van protonen in hersenweefsel verhoogd fixatie betere contrast differentiatie 3, 4.
Eerdere studies hebben de LGN die in PD-gewogen scans met behulp van een 1,5 T 5,6,7, en op 3 T scanner 8,9. Het is cruciaal om deze scans te kunnen verzamelen nauwkeurig overzicht van de omvang vande LGN. Om een volledige dekking van de subcorticale kernen te behouden, werden 18-PD gewogen plakjes verkregen binnen de thalamus. Elk deel werd opnieuw bemonsterd om tweemaal de matrix 1024, (0,15 mm in-plane voxel grootte), aaneengeschakelde, beweging gecorrigeerd en gemiddeld om een hoge resolutie 3D-beeld van de subcorticale structuren te produceren. Het optimale aantal PD afbeeldingen voor de volgende plak recept was 5, scantijd reduceren tot minder dan 15 min in levende mensen. Slechts 1 beeld PD moest duidelijk afbakenen subcorticale gebieden in postmortem hersenen afneemt scantijd tot minder dan 3 min (figuur 2 en 3).
Een hele formaline gefixeerde postmortem hersenen monster werd afgetast van een vrouw die was overleden aan een hartstilstand op de leeftijd van 82 jaar. Beoordeling van de medische dossiers bleek dat ze had: chronische obstructieve longziekte, angina, drievoudige bypassoperatie 8 jaar voorafgaand aan de dood, baarmoederkanker behandeld met hysterectomie7 jaar voor het overlijden, hyperlipidemie, glaucoom en cataract chirurgie. De postmortem brain monster werd immersie-gefixeerd in 10% neutraal gebufferd formaline gedurende ten minste 3 weken bij 4 ° C. De postmortem hersenen gescand met dezelfde imaging protocol en andere parameters in de loop van vele uren voor het kwaliteitsvergelijkingen . Alleen de geoptimaliseerde parameters zullen worden beschreven voor het protocol.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie beschrijft een geoptimaliseerd protocol in acquisitie en analysetechniek om hoge-resolutie PD gewogen beelden van subcorticale regio's te verkrijgen. Een aantal aftastlijnen parameters getest en gemodificeerd met de belangrijkste plaatsen met betrekking tot matrixgrootte, voxelafmeting en bandbreedte om de SNR te verhogen en het aantal acquisities, een cruciale stap in het kunnen subcorticale structuren met hoge resolutie te bepalen verlagen. In combinatie met het vinden van de optimale parameters in lev…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge the following funding sources, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Dorothy Pitts Research Fund (NG), and the Nicky and Thor Eaton Research Fund. The authors acknowledge Kevin DeSimone, and Aman Goyal and for their knowledge in MRI acquisition and analysis expertise.
Materials
| Magnetom Trio 3T MRI | Siemens (Erlangen, Germany). | ||
| Vacuum cushion hand | Siemens | Mat No: 4765454 | Manufactured by: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg |
References
- Devlin, J. T., et al. Reliable identification of the auditory thalamus using multi-modal structural analyses. NeuroImage. 30 (4), 1112-1120 (2006).
- Fellner, F., et al. True proton density and T2-weighted turbo spin-echo sequences for routine MRI of the brain. Neuroradiology. 36 (8), 591-597 (1994).
- Schumann, C. M., Buonocore, M. H., Amaral, D. G. Magnetic resonance imaging of the post-mortem autistic brain. J Autism Dev Disord. 31 (6), 561-568 (2001).
- Tovi, M., Ericsson, A. Measurements of T1 and T2 over time in formalin-fixed human whole-brain specimens. Acta Radiol. 33 (5), 400-404 (1992).
- Fujita, N., et al. Lateral geniculate nucleus: anatomic and functional identification by use of MR imaging. Am J Neuroradiol. 22 (9), 1719-1726 (2001).
- Bridge, H., Thomas, O., Jbabdi, S., Cowey, A. Changes in connectivity after visual cortical brain damage underlie altered visual function. Brain. 131 (6), 1433-1444 (2008).
- Gupta, N., et al. Atrophy of the lateral geniculate nucleus in human glaucoma detected by magnetic resonance imaging. Br J Opthalmol. 93 (1), 56-60 (2009).
- Dai, H., et al. Assessment of lateral geniculate nucleus atrophy with 3T MR imaging and correlation with clinical stage of glaucoma. Am J Neuroradiol. 32 (7), 1347-1353 (2011).
- McKetton, L., Kelly, K. R., Schneider, K. A. Abnormal lateral geniculate nucleus and optic chiasm in human albinism. J Comp Neurol. 522 (11), 2680-2687 (2014).
- Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., Smith, S. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).
- Dietrich, O., Raya, J. G., Reeder, S. B., Reiser, M. F., Schoenberg, S. O. Measurement of signal-to-noise ratios in MR images: influence of multichannel coils, parallel imaging, and reconstruction filters. J Magn Reson Imaging. 26 (2), 375-385 (2007).
- Andrews, T. J., Halpern, S. D., Purves, D. Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract. J Neurosci. 17 (8), 2859-2868 (1997).
- Pfefferbaum, A., Sullivan, E. V., Adalsteinsson, E., Garrick, T., Harper, C. Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain. NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).
