כיצד למדוד מתקפל קליפתיים מתמונות MR: מדריך שלב אחר שלב כדי לחשב מדד Gyrification מקומי
Summary
Gyrification מדידה (קיפול קליפת המוח) בכל גיל מהווה חלון אל התפתחות המוח מוקדם. לפיכך, אנו קודם לכן פיתחו אלגוריתם למדוד gyrification המקומית אלפי נקודות מעל חצי הכדור<sup> 1</sup>. במאמר זה, אנו פירוט החישוב של מדד זה gyrification המקומית.
Abstract
קיפול קליפתיים (gyrification) נקבע בחודשים הראשונים של החיים, כך תופעות לוואי שאירעו בתקופה זו להשאיר עקבות, כי יהיה ניתן לזיהוי בכל גיל. הנסקרת כפי לאחרונה על ידי מנז'ין ועמיתיו 2, קיימות מספר שיטות לכמת מאפיינים שונים של gyrification. למשל, morphometry sulcal ניתן להשתמש כדי למדוד מתארי צורה כגון אורך עומק, או מדדי בין חצאי המוח אסימטריה 3. אלו תכונות גיאומטריות יש את היתרון של להיות קל לפרש. עם זאת, morphometry sulcal בחוזקה מסתמך על זיהוי מדויק של מערכת נתונה של sulci ולכן מספק תיאור מקוטע של gyrification. כימות יותר פרטניות של gyrification יכולה להיות מושגת באמצעות מדידות עקמומיות מבוססות, שם מוחלק עקמומיות אומר המוחלט מחושב בדרך כלל אלפי נקודות על פני קליפת המוח 4. עקמומיות היא אך לא straightforwarד להבין, כפי שהיא עדיין לא ברור אם יש קשר ישיר בין curvedness לבין בעל משמעות ביולוגית לתאם כגון נפח משטח קליפת המוח או. כדי לטפל בבעיות שונות שהועלו על ידי מדידה של קיפול קליפת המוח, אנחנו קודם פיתחו אלגוריתם לכמת gyrification המקומי עם רזולוציה מרחבית מעולה של פרשנות פשוטה. השיטה שלנו היא בהשראת מדד Gyrification 5, שיטה המשמשת במקור neuroanatomy השוואתיים כדי להעריך את ההבדלים מתקפלים קליפת המוח על פני מינים. ביישום שלנו, שבו אנחנו l שם אינדקס ocal Gyrification (l GI 1), אנחנו מודדים את כמות קליפת קבור בתוך קפלי sulcal לעומת סכום של הקורטקס גלוי באזורים מעגלית של עניין. בהתחשב בכך בקליפת המוח גדל בעיקר באמצעות הרחבת רדיאלי 6, השיטה שלנו תוכננה במיוחד כדי לזהות מומים מוקדם של התפתחות קליפת המוח.
במאות המאמר זה, אנו בפירוט את חישוב מדד Gyrification המקומי, הנמצא כעת מופץ בחופשיות כחלק התוכנה FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/ , Martinos מרכז ביו הדמיה, בית החולים הכללי של מסצ'וסטס) . FreeSurfer מספק ערכה של כלי שחזור אוטומטי של פני השטח של קליפת המוח מנתונים MRI מבניים. משטח קליפת המוח חילוץ בחלל יליד תמונות עם דיוק תת מילימטר לאחר מכן נעשה שימוש נוסף ליצירת משטח חיצוני, אשר ישמש בסיס לחישוב l העיכול. האזור מעגלי עניין מותווה אז על פני השטח החיצוני, ואת האזור המתאים עניין על פני קליפת המוח מזוהה באמצעות אלגוריתם ההתאמה כמתואר במחקר אימות שלנו 1. תהליך זה החוזר שוב ושוב עם אזורים חופפים במידה רבה של עניין, וכתוצאה מכך מפות של קליפת המוח gyrification עבורr השוואות סטטיסטיות הבאים (איור 1). ראוי לציין, מדידה נוספת של gyrification המקומי עם השראה דומה הוצע על ידי טורו ועמיתיו 7, שם המדד מתקפלים בכל נקודה מחושב כיחס בין אזור קליפת המוח הכלול כדור מחולק לאזור של דיסק עם אותו רדיוס. שני מימושים שונים אחד על ידי טורו et al. מבוסס על מרחקים האיאוקלידי ובכך רואה כתמים רציפה של אזור קליפת המוח, בעוד שלנו משתמשת באלגוריתם הגיאודזית קפדנית כוללים רק את תיקון מתמשך של פתיחה באזור קליפת המוח על פני המוח באזור מעגלית של עניין.
Protocol
Discussion
הפרוטוקול הנ"ל מתאר כיצד למדוד אינדקס Gyrification מקומיות המבוססות על מוחין T1-משוקלל MRI והתנהגות השוואות קבוצה סטטיסטית. השיטה שלנו תוכנן במיוחד כדי למקם הפרעה בשלב מוקדם של תהליך התרחבות קליפת המוח ובתור שכזה הוא עניין מיוחד בתנאי התפתחותיות או פסיכיאטריות רבות. דוגמ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי המרכז הלאומי של יכולת מחקר (NCCR) "SYNAPSY – בסיסים Synaptic של מחלות הנפש" ממומן על ידי השוויצרי הקרן הלאומית למדע (n ° 51AU40_125759). פיתוח מדד Gyrification המקומי נתמך על ידי מענקים מקרן המחקר השוויצרי הלאומי ד"ר מארי Schaer (323500-111165) וכן ד"ר סטפן Eliez (3,200-063,135.00 / 1, 3,232-063,134.00 / 1, 102,864 ו PP0033-32473B -121996) ועל ידי המרכז ביו דימות (CIBM) של האוניברסיטאות ז'נבה, לוזאן ואת EPFL, כמו גם את היסודות Leenaards ולואי-ז'נטה. תמיכה בפיתוח תוכנה FreeSurfer נקבע בחלקו על ידי המרכז הלאומי למשאבי מחקר (P41-RR14075, ואת BIRN NCRR Morphometric פרויקט BIRN002, U24 RR021382), המכון הלאומי לחקר ביו הדמיה Bioengineering (R01 EB001550, R01EB006758), המכון הלאומי להפרעות נוירולוגיות ושבץ (R01 NS052585-01), כמו גם מחלת נפש Neuroscience דיסקברי (MIND) המכון, והוא חלק של הברית הלאומית המיחשוב תמונה רפואי (NAMIC), שמומן על ידי המכונים הלאומיים לבריאות באמצעות מפת הדרכים NIH למחקר רפואי, גרנט U54 EB005149. תמיכה נוספת סופק על ידי פרויקט אוטיזם & דיסלקציה ממומן על ידי קרן אליסון לרפואה.
Materials
Material: a Unix or Mac workstation with a processor of 2GHz or faster and a minimum of 4GB of RAM, with FreeSurfer installed (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki, preferably the latest version, but no older than version 4.0.3). In order to compute the local Gyrification Index, MATLAB is also required (http://www.mathworks.com/) along with the Image Processing Toolbox.
Data: A sample of good quality (high-resolution, high contrast) cerebral MRI T1-weighted dataset. Your group of subjects must be preferably matched for age and gender. Given the normal inter-individual variability in cerebral morphology, the number of subjects in each group should be sufficient to identify an existing group difference (the more – the better). A reasonable minimum sample size would be around 20 subjects per group (although you can probably go for less if the intensity of changes is large and if your groups are tightly matched for gender and age).
| Name of the equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| FreeSurfer | Martinos Center for Biomedical Imaging, MGH | Version newer than 4.0.3 | |
| Matlab | Mathworks | Image Processing Toolbox |
References
- Schaer, M. A surface-based approach to quantify local cortical gyrification. IEEE. Trans. Med. Imaging. 27, 161-170 (2008).
- Mangin, J. F., Jouvent, E., Cachia, A. In-vivo measurement of cortical morphology: means and meanings. Curr. Opin. Neurol. 23, 359-367 (2010).
- Mangin, J. F. A framework to study the cortical folding patterns. Neuroimage. 23, S129-S138 (2004).
- Luders, E. A curvature-based approach to estimate local gyrification on the cortical surface. Neuroimage. 29, 1224-1230 (2006).
- Zilles, K., Armstrong, E., Schleicher, A., Kretschmann, H. J. The human pattern of gyrification in the cerebral cortex. Anat. Embryol. (Berl). 179, 173-179 (1988).
- Rakic, P. Specification of cerebral cortical areas. Science. 241, 170-176 (1988).
- Toro, R. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb. Cortex. 18, 2352-2357 (2008).
- Fischl, B., Sereno, M. I., Dale, A. M. Cortical surface-based analysis. II: Inflation, flattening, and a surface-based coordinate system. Neuroimage. 9, 195-207 (1999).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. Neuroimage. 9, 179-194 (1999).
- Genovese, C. R., Lazar, N. A., Nichols, T. Thresholding of statistical maps in functional neuroimaging using the false discovery rate. Neuroimage. 15, 870-878 (2002).
- Desikan, R. S. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. Neuroimage. 31, 968-980 (2006).
- Schaer, M. Congenital heart disease affects local gyrification in 22q11.2 deletion syndrome. Dev. Med. Child. Neurol. 51, 746-753 (2009).
- Palaniyappan, L., Mallikarjun, P., Joseph, V., White, T. P., Liddle, P. F. Folding of the Prefrontal Cortex in Schizophrenia: Regional Differences in Gyrification. Biol. Psychiatry. , (2011).
- Zhang, Y. Decreased gyrification in major depressive disorder. Neuroreport. 20, 378-380 (2009).
- Juranek, J., Salman, M. S. Anomalous development of brain structure and function in spina bifida myelomeningocele. Dev. Disabil. Res. Rev. 16, 23-30 (2010).
- Zhang, Y. Reduced cortical folding in mental retardation. AJNR. Am. J. Neuroradiol. 31, 1063-1067 (2010).
- Kuperberg, G. R. Regionally localized thinning of the cerebral cortex in schizophrenia. Archives of general psychiatry. 60, 878-888 (2003).
- Milad, M. R. Thickness of ventromedial prefrontal cortex in humans is correlated with extinction memory. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 10706-10711 (2005).
- Rauch, S. L. A magnetic resonance imaging study of cortical thickness in animal phobia. Biol. Psychiatry. 55, 946-952 (2004).
- Fjell, A. M. Selective increase of cortical thickness in high-performing elderly–structural indices of optimal cognitive aging. Neuroimage. 29, 984-994 (2006).
- Walhovd, K. B. Regional cortical thickness matters in recall after months more than minutes. Neuroimage. 31, 1343-1351 (2006).
- Gold, B. T. Differing neuropsychological and neuroanatomical correlates of abnormal reading in early-stage semantic dementia and dementia of the Alzheimer type. Neuropsychologia. 43, 833-846 (2005).
- Salat, D. H. Thinning of the cerebral cortex in aging. Cereb. Cortex. 14, 721-730 (2004).
- Schaer, M., Eliez, S. Contribution of structural brain imaging to our understanding of cortical development process. European Psychiatry Reviews. 2, 13-16 (2009).
- Shaw, P. Neurodevelopmental trajectories of the human cerebral cortex. J. Neurosci. 28, 3586-3594 (2008).
