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Method Article
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.
Der menschliche Hippocampus wurde weitgehend im Rahmen der Speicher und die normale Funktion des Gehirns und seiner Rolle in verschiedenen neuropsychiatrischen Erkrankungen untersucht wurde stark untersucht. Während viele Bildgebungsstudien behandeln den Hippocampus als einzelne einheitliche neuroanatomische Struktur ist es in der Tat aus mehreren Unterfeldern, die eine komplexe dreidimensionale Geometrie zusammengesetzt ist. Als solche ist bekannt, dass diese Unterfelder führen spezialisierte Funktionen und differentiell durch den Verlauf der verschiedenen Krankheitszuständen betroffen sind. Magnetresonanz (MR) kann als ein leistungsfähiges Werkzeug verwendet, um die Morphologie des Hippocampus und seine Unterfelder abzufragen. Viele Gruppen nutzen fortschrittliche Imaging-Software und Hardware (> 3T), um Bildunterfelder; Jedoch ist diese Art von Technik kann in den meisten Forschung und klinische Bildgebungszentren leicht verfügbar sein. Um diesem Bedarf zu begegnen, bietet das Manuskript eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Protokoll zur Segmentierung des vollen Vorwärts-Rückwärts-Längedes Hippocampus und seine Unterfelder: Ammonshorn (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / Gyrus dentatus (DG), Schichten radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM) und Subiculum. Dieses Protokoll wurde zu fünf Themen (; Alter 29-57, avg 37. 3F, 2 M) angewendet. Protokoll Zuverlässigkeit wird durch resegmenting entweder den rechten oder linken Hippocampus jedes Thema und die Berechnung der Überlappung mit der Dice kappa Metrik bewertet. Mittlere Dice kappa (Bereich) in den fünf Themen sind: ganze Hippocampus, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (0,77 bis 0,79); CA2 / CA3, 0,64 (0,56 bis 0,73); CA4 / Gyrus dentatus, 0,83 (0,81-0,85); Schichten radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); und Subiculum 0,75 (0,72-0,78). Die hier vorgestellte Segmentierung Protokoll stellt anderen Laboratorien mit einer zuverlässigen Methode, um die Hippocampus und Hippocampus Subfelder in vivo unter Verwendung von handelsüblichen MR-Tools zu untersuchen.
Der Hippocampus ist ein weitgehend untersucht medialen Temporallappens Struktur, die mit episodischen Gedächtnis, räumliche Navigation und andere kognitive Funktionen 10,31 verbunden ist. Ihre Rolle bei neurodegenerativen und neuropsychiatrischen Störungen, wie Alzheimer-Krankheit, Schizophrenie und bipolarer Störung ist gut dokumentiert 4,5,18,24,30. Das Ziel dieser Handschrift ist es, zusätzliche Details zu dem zuvor 34 für den menschlichen Hippocampus Subfelder veröffentlicht auf hochauflösenden Magnetresonanz (MR) Bilder bei 3T erworbenen manuelle Segmentierung Protokoll bereitzustellen. Darüber hinaus wird die diese Handschrift begleitenden Video-Komponente bieten weitere Unterstützung für Forscher, die auf das Protokoll über ihre eigenen Datensätzen implementieren möchten.
Der Hippocampus kann in Teilfelder unterteilt werden basierend auf beobachteten in histologisch vorbereitet post-mortem zytoarchitektonischen Unterschiede Proben 12,22. Solche postmortal entnommenen Proben definieren die ground Wahrheit für die Identifizierung und Untersuchung von Hippocampus-Teilfelder; jedoch Präparate dieser Art erfordern spezielle Fähigkeiten und Ausrüstung für die Färbung und werden durch die Verfügbarkeit von fixiertem Gewebe vor allem in erkrankten Populationen beschränkt. In-vivo-Bildgebung hat den Vorteil eines viel größeren Pool von Themen, und stellt auch die Möglichkeit für Folge Studien und Beobachtung von Veränderungen in der Bevölkerung. Obwohl es sich gezeigt hat, dass die Signalintensitäten in T2-gewichteten ex vivo MR-Bilder zu reflektieren Zelldichte 13, ist es immer noch schwierig, unbestrittenen Grenzen zwischen den Unterfeldern mit ausschließlich MR-Signalintensitäten zu ermitteln. Als solches ist eine Anzahl von verschiedenen Ansätzen für die Identifizierung Histologie Detailebene auf MR-Bildern entwickelt worden.
Einige Gruppen haben sich bemüht, zu rekonstruieren und zu digitalisieren histologische Datensätze und dann diese Rekonstruktionen mit den Bildregistrierungstechniken zur Hippocampus-Unterfeld neuroanat lokalisieren gemachtschaft auf in vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. Obwohl dies ein effektives Verfahren zum Abbilden einer Version der histologischen Ground Truth direkt auf MR-Bildern sind Rekonstruktionen dieser Art schwierig zu vervollständigen. Projekte wie diese von der Verfügbarkeit von intakten medialen Temporallappen Proben, histologische Techniken, Datenverlust bei der histologischen Verarbeitung, und die Grund morphologischen Inkonsistenzen zwischen festen und in vivo Gehirn beschränkt. Andere Gruppen haben Hochfeld-Scannern (7T oder 9,4-T) in dem Bemühen verwendet werden, um in vivo erwerben oder Ex-vivo-Bilder mit einer klein genug (0,20 bis 0,35 mm isotrope) Voxelgröße zu visualisieren räumlich lokale Unterschiede in der Bildkontrast, die verwendet werden, folgern Grenzen zwischen Unterfeldern 35,37. Selbst bei 7T-9,4 T und bei einem so geringen Voxelgrße die zytoarchitektonischen Charakteristika hippocampalen Unterfelder sind nicht sichtbar. Als solche haben manuelle Segmentierung Protokolle entwickelt worden, daß einpproximate die bekannten histologischen Grenzen, die auf MR-Bildern. Diese Protokolle bestimmen, Unterfeldgrenzen durch die Interpretation lokalen Bildkontrastunterschiede und die Definition geometrischen Regeln (wie gerade Linien und Winkel) in Bezug auf sichtbare Strukturen. Obwohl Bilder mit hoher Feldstärke genommen in der Lage, detaillierte Einblicke in Hippocampus-Teilfelder bieten, sind Hochfeld-Scanner noch nicht in der klinischen oder Forschungs Einstellungen gemeinsam, so 7T und 9,4-T-Protokolle derzeit haben Anwendbarkeit begrenzt. Ähnliche Protokolle für Bilder auf 3T und 4T Scanner 11,20,21,23,24,25,28,33 gesammelt entwickelt. Viele dieser Protokolle werden auf Bildern mit Unter 1mm Voxel Voxel-Dimensionen in der Frontalebene basiert, aber haben große Schichtdicken (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 oder große Zwischenschichtabstände 20,28, die beide zu einer signifikanten Messfehler bei der Schätzung der Volumina der einzelnen Teilfelder. Zusätzlich sind viele der existierenden 3T Protokollenauszuschließen Teilfelder in allen oder einem Teil der Hippocampus-Kopf oder Schwanz 20,23,25,33 oder nicht bieten detaillierte Segmentierungen von wichtigen Unterkonstruktionen (dh verbinden die DG mit CA2 / CA3 oder enthalten nicht die Schichten radiatum / lacunosum / moleculare Die CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Es besteht daher ein Bedarf auf dem Gebiet für eine detaillierte Beschreibung eines Protokolls, die zuverlässig ermitteln kann relevanten Teilfelder ganzen Kopf, Körper und Schwanz des Hippocampus, die auf einen Scanner in der klinischen und Forschungs verfügbaren Einstellungen basiert. Die Bemühungen sind derzeit von der Hippocampus-Teilfelder Group (www.hippocampalsubfields.com) im Gange, um die Hippocampus-Unterfeld Segmentierungsprozess zwischen den Laboratorien zu harmonisieren, ähnlich wie bei einer bestehenden Harmonisierungsbemühungen für ganze Hippocampus Segmentierung 6 und einer anfänglichen Papier Vergleichen 21 bestehenden Protokolle wurde kürzlich veröffentlichten 38 . Die Arbeit dieser Gruppe wird weiter aufzuklären optimale Segmentierung proceWeisen.
Diese Handschrift enthält detaillierte schriftliche und Video-Anleitungen für die zuverlässige Umsetzung der zuvor von Winterburn und Kollegen 34 auf hochauflösenden 3T MR-Bildern beschrieben Hippocampus-Unterfeldsegmentierung Protokoll. Das Protokoll wurde auf fünf Bildern von gesunden Kontrollen für den gesamten Hippocampus und fünf Hippocampus Subfelder (CA1, CA2 / CA3, CA4 / Gyrus dentatus, Schichten radiatum / lacunosum / moleculare und Subiculum) umgesetzt. Diese segmentierten Bilder sind für die Öffentlichkeit online (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Das Protokoll und die segmentierten Bilder werden nützlich für die Gruppen, die detaillierte Hippocampus Neuroanatomie in MR-Bildern studieren wollen.
Die Studienteilnehmer
(; Alter 29-57, avg 37. 3F, 2 M), die frei von neurologischen und neuropsychiatrischen Erkrankungen und Fälle von schweren Kopfverletzungen waren das Protokoll in diesem Manuskript wurde für fünf repräsentativen hochauflösenden Bildern von gesunden Freiwilligen gesammelt entwickelt. Alle Probanden wurden am Zentrum für Sucht und psychische Gesundheit (CAMH) rekrutiert. Die Studie wurde von der CAMH Forschungsethik Board genehmigt und wurde in Übereinstimmung mit der Deklaration von Helsinki durchgeführt. Alle Probanden vorgesehen geschrieben, informierte Zustimmung für die Datenerfassung und des Teilens. Weitere Einzelheiten zu der Aufnahmesequenz verwendet, um diese Bilder zu sammeln, finden Sie in Winterburn et al., 2013 Park et al., 2014 wurden 26,34 Images für alle fünf Themen für die Qualität überprüft und festgehalten beziehen. Der Hippocampus überspannt einen Durchschnitt von 118 koronalen Scheiben in diesen Bildern.
1. Software Set-up
2. Whole Hippocampus manuelle Segmentierung
3. Hippocampus-Unterfeld manuelle Segmentierung
4. Protokoll Zuverlässigkeit
. Die Ergebnisse aus dem Protokoll Zuverlässigkeitsprüfung sind in Tabelle 2 zusammengefaßt Für das gesamte bilaterale Hippocampus, bedeutet räumliche Überlappung wie von Dice kappa gemessen wird, ist 0,91 und liegt im Bereich von 0,90 bis 0,92. Unterfeld Kappa-Werte reichen von 0,64 (CA2 / CA3) auf 0,83 (CA4 / Gyrus dentatus). Durchschnittsmengen für alle Teilbereiche und den ganzen Hippocampus sind in Tabelle 3 2456,72 bis 3325,02 mm 3 ang...
Hippocampus-Unterfeldsegmentierung in MR-Bildern ist in der Literatur gut vertreten. , Bestehende Protokolle auszuschließen jedoch Teile des Hippocampus 20,23,33,35, gelten nur für Standbilder 37 oder erfordern Ultrahochfeld-Scanner für die Bildaufnahme 35,37. Diese Handschrift bietet eine Segmentierung Protokoll, das fünf Hauptunterteilungen (CA1, CA2 / CA3, CA4 / Gyrus dentatus, SR / SL / SM und Subiculum) des Hippocampus umfasst und erstreckt sich über die gesamte anterior-poster...
The authors have no conflicts of interest to declare.
Die Autoren danken, die Unterstützung der CAMH Stiftung anerkennen, Dank an Michael und Sonja Koerner, der Kimel Familie, und dem Paul E. Garfinkel New Investigator Catalyst Award. Dieses Projekt wurde vom Fonds de Recherches Santé Québec, der kanadischen Institutes of Health Research (CIHR), den Natur- und Ingenieurwissenschaften Research Council of Canada, die Weston Brain Institute, die Alzheimer-Gesellschaft von Kanada und den Micheal J. Fox Foundation für die Parkinson-Forschung (MMC) sowie CIHR, der Ontario Mental Health Foundation, NARSAD, und dem National Institute of Mental Health (R01MH099167) (ANV). Die Autoren möchten auch Anusha Ravichandran Hilfenahme der Bilder bedanken.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Discovery MR750 3T | GE | Or equivalent 3T scanner | |
Minc Tool Kit | McConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological Institute | Open source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit |
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