Un protocolo integral para la segmentación manual de las estructuras mediales Temporal Lobe

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

El presente documento describe un protocolo integral de trazado manual del conjunto de las regiones del cerebro que comprende el lóbulo temporal medial (MTL): la amígdala, el hipocampo y las regiones del hipocampo asociadas (perirrinal, entorrinal y del hipocampo propiamente dicho). A diferencia de la mayoría de los protocolos de seguimiento disponibles, por lo general se centra en ciertas áreas MTL (por ejemplo, la amígdala y / o hipocampo), la perspectiva integradora adoptada por las presentes directrices de rastreo permite la localización clara de todas las subregiones MTL. Mediante la integración de la información de una variedad de fuentes, incluyendo los protocolos de rastreo existentes orientación separado diversas estructuras MTL, informes histológicos y atlas del cerebro, y con el complemento de los materiales visuales ilustrativos, el presente protocolo proporciona una guía precisa, intuitiva y conveniente para la comprensión de la anatomía MTL. La necesidad de tales directrices rastreoTambién se pone de relieve mediante la ilustración de las posibles diferencias entre los protocolos de segmentación automática y manual. Este conocimiento puede ser aplicada a la investigación que involucra no sólo a las investigaciones de resonancia magnética estructural sino también colocalización y la señal fMRI extracción estructural-funcional de regiones de interés definidas anatómicamente, en grupos sanos y clínicos por igual.

Introduction

El lóbulo temporal medial (MTL), una zona putativa del más alto nivel de integración de la información sensorial ^1, ha sido un tema frecuente de análisis específicos. Por ejemplo, el hipocampo y las áreas del hipocampo asociados se han estudiado ampliamente en la investigación de la memoria ^2-5. Además, el papel de la amígdala se ha destacado con frecuencia en investigaciones que examinen procesamiento de las emociones y las interacciones emoción-cognición ^6-11. Recientemente, varias regiones MTL también han sido objeto de atención en el emergente campo de la neurociencia de la personalidad, que une la estructura y función de estas y otras regiones del cerebro a la variación individual en rasgos de personalidad ^12. La evaluación de la anatomía y función de las estructuras MTL puede ser importante para facilitar el diagnóstico de las enfermedades degenerativas que se pueden producir anomalías estructurales y funcionales específicos en diferentes estructuras MTL. Por ejemplo, en la enfermedad de Alzheimer (EA), una significativatrofeo de la corteza entorrinal y el hipocampo se puede observar ^13,14, y la atrofia del hipocampo puede predecir la transición de deterioro cognitivo leve a AD ^15. Algoritmos de segmentación automáticos han vuelto populares para la segmentación de las estructuras corticales y subcorticales, pero como con cualquier herramienta, estos programas encontrarán inevitablemente errores en algunos casos. En tales casos, un investigador debe estar equipado con los conocimientos y directrices para reconocer los límites anatómicos de las estructuras MTL. La tendencia en la literatura existente es dirigirse a las subregiones MTL individuales ^16-21, con muchos protocolos que tienden a centrarse en el hipocampo ^16-19.

A diferencia de la mayoría de las guías publicadas disponibles para el rastreo MTL, el presente protocolo proporciona un amplio conjunto de directrices que permitan la localización clara de todas las subregiones MTL. Se describen las pautas de rastreo para las siguientes estructuras MTL: la amígdala (AMI), el hipocampo (HC), la corteza perirrinal (PRC), la corteza entorrinal (ERC), y la corteza del hipocampo (APS). El AMY y la HC se trazan primero, y luego son seguidos por la circunvolución del hipocampo (PHG) estructuras. Tenga en cuenta que el HC término genérico se utiliza aquí para referirse a la formación de HC, que abarca la HC adecuada, el subículo, y el segmento posterior de la Uncus ^22-24. Además, observe que la PHG se puede dividir en dos segmentos, la porción anterior y la porción posterior. Dentro de la porción anterior de la PHG, puede ser dividida en el PHG anterior lateral y medial, cuyas áreas corticales corresponden a la República Popular China y de la ERC, respectivamente. El APS, el área cortical de la parte posterior de la PHG, corresponde a la corteza del hipocampo adecuada. Por razones de simplicidad, usaremos los términos PRC y ERC para referirse al PHG anterior lateral y medial, y la atención primaria de salud para referirse a la PHG posterior. El segmentation para cada estructura comienza con una localización aproximada de las fronteras anteriores y posteriores, así como otros puntos de interés relevantes, que es seguido por el trazado real realizado rebanada por rebanada en el plano coronal, en un anterior-posterior/rostro-caudal dirección. En todos los casos, las secciones sagital y axial se siguen de cerca para ayudar a la localización de los límites anatómicos y monumentos.

La necesidad de tales directrices de rastreo también se ilustra en las figuras que muestran las posibles diferencias entre la salida de los protocolos de segmentación automática y manual. La ventaja de un protocolo que describe todas las estructuras MTL en el formato visual actual es que las variaciones en la anatomía (por ejemplo, el surco colateral profundidad [CA]) que puede afectar a las definiciones de frontera puede ser descrito en el contexto de la anatomía circundante (por ejemplo, , la República Popular China y ERC bordes medial y lateral varían en ubicación dependiendo de la profundidad de la CS ²⁵ </sarriba>). Esto podría no ser clara o comprensible para un trazador inexperto o un trazador con experiencia que sólo rastrea las estructuras individuales o separados, y hasta donde sabemos, no existe tal directiva visualmente incompleta.

El presente protocolo es una presentación explícita de los criterios que utiliza para el rastreo de MTL en una investigación previa identificación de las contribuciones diferenciales de las subregiones MTL en el sentido de aumentar la memoria de la emoción ^26, adaptado a las imágenes de resolución más altas del cerebro permitidos por la evolución reciente de resonancia magnética estructural (RM) . El trazado se ilustra en las imágenes obtenidas a partir de un voluntario sano (mujer, 24 años), utilizando un escáner 3T MR. Imágenes anatómicas fueron adquiridos como 3D MPRAGE (TR = 1800 ms, TE = 2,26 ms; FOV = 256 x 256 mm; tamaño de voxel = 1 x 0,5 x 0,5 mm) con un ángulo paralelo adquisición de AC-PC. Si los datos de imagen se adquiere con un ángulo de adquisición diferente, tales como la orientación oblicua, los datos deben ser regridded a una paralela u orientación perpendicular a AC-PC, de manera que las descripciones históricas anatómicas traducen adecuadamente. Las imágenes fueron convertidas a formato NIfTI y la entrada en el software de segmentación ²⁷ para el rastreo manual. Escaneado de datos utilizados en el protocolo actual se recogieron como parte de un estudio que fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional, y el voluntario dado su consentimiento por escrito.

Al llamar la información de varios protocolos de trazado independientes para estas estructuras ^18-22,28-31, así como de los análisis anatómicos y atlas ^23,32,33, el presente protocolo presenta un amplio conjunto de directrices que abordan las inconsistencias en la literatura existente. Complementado por los materiales visuales que se acompañan, se espera que este trabajo para promover la comprensión más clara de las estructuras MTL, y revuelva el interés de la investigación futura en la adopción de la segmentación manual, ya sea como principal método de rastreo MTL o como suplementaciónmétodo ry para la segmentación automática. Al proporcionar una guía precisa, intuitiva y conveniente para la comprensión de la anatomía MTL, este protocolo ayudará a los investigadores a identificar la ubicación de todas las subregiones MTL, con relación a sus estructuras vecinas, incluso cuando sólo algunas estructuras MTL están destinados específicamente para los análisis. Esto no sólo aumentará la precisión de la localización, pero también ayudará a los trazadores a tomar decisiones informadas en los casos de variación morfológica, que es altamente probable que en el MTL. Estas directrices se pueden aplicar a la investigación con RM investigaciones estructurales y / o funcionales del MTL, incluidos los análisis volumétricos y cerebro detección de anomalías, así como los procedimientos de localización de funcional, anatómica y análisis tractographic, en grupos sanos. El presente Protocolo también podría utilizarse para informar a la segmentación de las estructuras MTL para los pacientes (por ejemplo, pacientes con atrofia), si los principales puntos de referencia anatómicos están relativamente preservadas. Rastreo sujeto clínicadatos de s 'puede llevar tiempo y esfuerzo adicional, dependiendo de la gravedad de la atrofia y / o cambios anatómicos.

Es importante tener en cuenta la distinción entre circunvoluciones y cortezas en la definición de ROI. Anatómicamente, el giro que aquí se refiere tanto a la sustancia blanca y sustancia gris, mientras que la corteza se refiere a la materia gris solamente. Dependiendo del uso previsto de la ROI, segmentaciones pueden incluir la materia blanca o excluye.

Recomendamos que el trazado se realiza secuencialmente, subestructura de subestructura, un hemisferio a la vez. Algunos paquetes de software de ³⁴ permitir el seguimiento de las fronteras señaladas en una rebanada de ser pegado en rodajas posteriores, una función que acelera el proceso. Siempre es conveniente hacer referencia al hemisferio oposición, según sea necesario, con el fin de comprobar la coherencia entre las dos partes (por ejemplo, en la detección de puntos de referencia anatómicos). Como alternativa, el trazado en paralelo de las mismas estructuras dentro de los dos hemisferios también se pueden realizar. Sin importar si el trazado es secuencial o en paralelo, una vez que el proceso se haya completado, los trazadores deben a comprobar el resultado final y hacer los ajustes necesarios, haciendo referencia a los dos hemisferios y múltiples vistas en planta. Dependiendo de la experiencia del trazador y la resolución de los datos de las imágenes, la segmentación manual de la MTL de datos sujetos sanos puede tardar 8-10 horas o más, en el caso de un trazador novato, a 3-4 horas, en el caso de un experimentado.

Generalidades Figura 1. 3D de la MTL, trazada utilizando el presente protocolo. Estructuras que aparecen aquí son el AMY (rojo), el HC (azul), la República Popular China (amarillo), la CEI (rosa), y la atención primaria de salud (verde) .

Protocol

1. Amígdala Anterior Rebanadas de la AMY Identificar la primera rebanada del AMY en la que aparece inicialmente la ínsula limen, donde la conexión de la sustancia blanca entre los lóbulos frontales y temporales es continua y visible 30. En la vista coronal, utilice el haz angular que el borde inferolateral del AMY. Localice el quiasma óptico como un punto de referencia para la aparición del AMY. Utilice la axial y sagital para distinguir el AMY en sus primeras rebanadas del…

Representative Results

Ilustración de las posibles diferencias entre la segmentación manual y automática Un modelo 3D de la segmentación manual para el amy, HC, República Popular China, ERC, y APS se muestra en la Figura 1, y una sección sagital de la segmentación se muestra en la Figura 2. Para el propósito de ilustrar las diferencias extremas posibles entre manual y automático trazados, rebanadas de la AMY de un sujeto representativo con la segmentació…

Discussion

Tradicionalmente, la segmentación manual se ha considerado el estándar de oro por muchos investigadores. Sin embargo, una delimitación precisa de las estructuras individuales se ha complicado por la morfología muy variable de las estructuras MTL, y por los contrastes de resonancia magnética por lo general débiles de estas estructuras contra las zonas circundantes de tejido y no neurales neural. Históricamente, ha habido descripciones conflictivas en la literatura para algunas estructuras MTL. En algunos casos de …

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