Alta resolución<em&gt; En Vivo</em&gt; Protocolo Segmentación Manual for Human hipocampo subcampos Usando 3T Imágenes por Resonancia Magnética

Resumen

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.

Resumen

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.

Introducción

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.

Protocolo

Participantes en el estudio

El protocolo en este manuscrito se desarrolló durante cinco imágenes representativas de alta resolución obtenidos de voluntarios sanos (3F, 2M, 29-57 años, promedio 37.) Que estaban libres de enfermedades y casos de traumatismo craneoencefálico grave neurológicos y neuropsiquiátricos. Todos los sujetos fueron reclutados en el Centro para la Adicción y Salud Mental (CAMH). El estudio fue aprobado por el Consejo de Ética de Investigación CAMH y se llevó a cabo de acuerdo con la Declaración de Helsinki. Todos los temas siempre por escrito, el consentimiento informado para la adquisición y el intercambio de datos. Para obtener más información acerca de la secuencia de adquisición utilizado para recoger estas imágenes, consulte Winterburn et al., 2013 y Park et al., 2014. ^26,34 Imágenes en los cinco sujetos fueron revisados ​​por la calidad y mantienen. El hipocampo se extendió un promedio de 118 cortes coronales en estas imágenes.

1. Software Set-up

1. Abrir Pantalla: Desde la terminal con el siguiente comando: Pantalla image_name.mnc -label label_name.mnc. El programa se abrirá 3 ventanas: la ventana de visualización 3D, imagen 3-orientación de ventana de visualización, y una ventana de navegación. El terminal también se utilizará para ejecutar el programa. Ampliar la vista coronal, como las segmentaciones se realizarán coronal. Zoom en el hipocampo. Seleccione F (segmentación) en la ventana de navegación. Seleccione F (XY Radio: 0,1). La ventana de terminal le pedirá al usuario que "Introduzca el tamaño del pincel xy:". Se establece en 0,1. Esto establecerá el tamaño de su pincel. Ahora el usuario puede empezar a dibujar el hipocampo la imagen de RM en.

2. Toda Hippocampus Manual Segmentación

1. Puesta en marcha: El uso de una imagen ponderada en T1, desplácese hasta el corte anterior-más coronal del hipocampo. Para avanzar en rodajas en la dirección anterior, use la tecla '+'; utilizar la tecla - para moverse en la dirección posterior ''.
2. División A: anterior-más Slice: Usando el botón derecho del ratón, dibuja la frontera exterior de la mayor parte de la materia gris del hipocampo donde se encuentra la sustancia blanca del lóbulo temporal que rodea y utilizar la alta intensidad de la sustancia blanca del alveus para ayudar con el borde superior, donde el hipocampo cumple la amígdala ^12,22. Utilice la tecla E (Label relleno) en el menú de la segmentación de la ventana de navegación para rellenar la etiqueta dentro de la frontera. Continúe aplicando estas fronteras en toda la cabeza del hipocampo anterior.
3. Slice B: hipocampo Cabeza 1 (Figura 1B):
   1. Superior, inferior, laterales, bordes mediales: Seguir a dibujar las fronteras tal como se describe en el paso 2.2, el uso de la sustancia blanca del lóbulo temporal y alveus como guía.
   2. Frontera Supero-medial: Para ello, utilizando la vista axial, trace una línea horizontal desde el borde anterior del hipocampo lateral ^29, e incluir nada por debajo de esta línea como el hipocampo.NOTA: El borde supero-medial se hace más ambigua en estas rebanadas, donde la materia gris del hipocampo se mezcla con la materia gris de la amígdala.
4. Slice C: hipocampo Head 2 con Dentations: En función del tema, los dentations del hipocampo pueden ser visibles por 3-4 rebanadas (por lo general, son más visibles en T2 frente a las imágenes ponderadas en T1). En estos sectores, seguir utilizando la sustancia blanca del lóbulo temporal alveus y para guiar la segmentación ^12,22 frontera. Para más detalles, siga los pasos 2.5.1-2.5.2.
5. Slice D: Jefe del hipocampo 3:
   1. Superior, inferior, laterales, bordes mediales: Dibuja el borde inferior del hipocampo en la sustancia blanca del lóbulo temporal, el borde lateral del asta inferior del ventrículo lateral, el borde superior, siguiendo la curva de los dentations, en el sustancia blanca del alveus / fimbria y el borde medial en el regio hipointensan de la cisterna ambiente ^12,22.
   2. Supero-medial y fronteras-ínfero medial: Continuar para definir la frontera supero-medial como se describe en el paso 2.3.2. Dibuje la porción inferior del borde medial donde el hipocampo se adelgaza ligeramente y se extiende en la materia gris ligeramente hiperintensa de la corteza entorrinal ^12,22.
6. Slice E: hipocampo Head 4 con Uncus: Continuar para dibujar las fronteras inferiores, laterales y superiores descritos en los pasos 2.5.1-2.5.2. Incluir el uncus (que se encuentra la medalla al cuerpo principal del hipocampo y está rodeado por el LCR de baja intensidad) en el hipocampo segmentación ^{12,2 2.}
7. Slice F: hipocampo Cuerpo: Continuar para dibujar las fronteras inferiores, laterales, mediales y superiores descritos en los pasos 2.5.1-2.5.2. Dibuje la frontera inferior-medial en el punto en el hipocampo se adelgaza en la transición a la corteza entorrinal / para-hipocampo circunvolución ^12,22.No incluya el CSF de baja intensidad del surco del hipocampo vestigial en la segmentación.
8. Slice G: Cola del hipocampo 1: Comience la segmentación de las rebanadas de tipo cola del hipocampo cuando la crus del fondo de saco es primero visible. Excluir el gyrus fascicular (una estructura de la materia gris que se mezcla con el hipocampo en partes de la cola del hipocampo) a partir de la segmentación mediante la extrapolación de la forma de la circunvolución fascicular en la cola del hipocampo de más rebanadas anteriores ^12,22. Esta extrapolación sólo es posible para 2-3 rodajas, después de lo cual las dos estructuras no se pueden distinguir con precisión; en este punto, el tratamiento de toda la materia gris visible en esta zona como el hipocampo.
9. Slice H: Cola del hipocampo 2: Segmento la materia gris de baja intensidad de la cola del hipocampo posterior de la materia blanca de alta intensidad de los alrededores.
10. Slice I: Posterior-Most Slice: Segmento el resto del área pequeña de la materia gris del hipocampo dela materia blanca que rodea del lóbulo temporal.

3. El subcampo del hipocampo Manual Segmentación

1. Puesta en marcha: El uso de una imagen ponderada en T2, desplácese hasta el corte anterior-más coronal del hipocampo (como en el paso 2.1). Para cambiar el color del pincel, seleccione D (Set pintura Lbl :) en el menú de segmentación en la ventana de navegación. La terminal de comandos le pedirá: "Introduzca etiqueta actual de la pintura:". Introduzca un número entre 1 y 255. Cada número corresponde a una etiqueta de color diferente.
2. Slice A: anterior-más Slice: Desde divisiones subcampo aún no están visibles en la anterior-más corte, dibujar una línea que divide la materia visible del hipocampo gris a lo largo de su eje visible más larga (que no es necesariamente paralela a cualquiera de los ejes cardinales) en dos secciones iguales para aproximar la verdadera ^12,22 anatomía. Etiquetar el superior de estas dos secciones como CA1 y la sección inferior como subículo por choosing una etiqueta de color diferente para cada subcampo ^23,35.
3. Slice B: hipocampo Jefe 1: Etiqueta de la zona de baja intensidad en el medio de la formación del hipocampo como SR / SL / SM ^13,37. Cuando la curva a lo largo del borde inferior del hipocampo se hace evidente, utilice este hito como el borde lateral que separa el subículo de la CA1 ^12,22. Continúe siguiendo el eje mayor del hipocampo para dibujar el borde CA1-subículo en la punta supero-medial ^37.
4. Slice C: Jefe del hipocampo 2 con Dentations:
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, y subículo: Etiqueta de la SR / SL / SM, CA4 / DG, y subículo como se describe para la rebanada D (paso 3.5.1).
   2. CA2 / CA3 y CA1: Definir la frontera entre CA1 y CA2 / CA3 como una línea de 45º de ángulo que se extiende en la dirección supero-lateral desde el borde más supero-lateral de la SR / SL / SM ^12,22. Extender la CA2 / CA3 medial lo largo del borde superior a la depresión entre la dentalas ^12,22. Etiquetar el resto del borde superior como CA1 ^12,22.
5. Slice D: hipocampo Head 3
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, y subículo: Etiqueta de la banda SR oscuro / SL / SM primero, que seguirá a la curva de la CA1 ^37. Etiqueta de cualquier sustancia gris de alta intensidad en el interior de la SR / SL / SM como CA4 / DG ^{12,22,23,35,37.} Esto puede no ser una región continua, como en la Figura 2C. Continuar para definir la frontera subículo-CA1 utilizando la curva en el hipocampo inferiores ^12,22.
   2. CA2 / CA3 y CA1: Continuar para definir la CA1 y CA2 frontera / CA3 como en el paso 3.4.2. Extender la CA2 / CA3 medial a mitad de camino a lo largo del borde superior del hipocampo ^12,22 y la etiqueta de la otra mitad del borde superior como CA1 ^12,22.
   3. Cabeza del hipocampo Supero-medial: En este corte, dividir la cabeza del hipocampo supero-medial verticalmente por la mitad. Etiqueta de la mitad medial como SR / SL / SM ^12. Divida el lateralmedio en medio nuevo, esta vez en sentido horizontal. Marque la parte superior como CA4 / DG y la parte inferior como CA2 / CA3 ^12.
6. Slice E: hipocampo Head 4 con Uncus
   1. La cabeza del hipocampo lateral (subículo): En la porción lateral de estas rebanadas, definir la frontera subículo-CA1 como una línea vertical que se extiende en la dirección inferior desde el borde más medial de la CA4 / DG ^12,22.
   2. Lateral cabeza del hipocampo (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Define la frontera CA1-CA2 / CA3 de la misma manera que en el paso 3.4.2. Continúe para etiquetar el SR / SL / SM como la región de baja intensidad tras la curva de las regiones CA. Etiquetar el CA4 / DG como la cavidad central dentro de la SR / SL / SM, como en el paso 3.5.1.
   3. Uncal cabeza del hipocampo (SR / SL / SM): Etiqueta de la uncus del hipocampo durante aproximadamente 10 rebanadas como las transiciones de la cabeza del hipocampo en el cuerpo del hipocampo. En el uncus, etiquetar la región de baja intensidad en el centro como SR / SL / SM (cuando esto es difícil de ver, la aproximación de la anatomía mediante la segmentación de una línea 2-3 voxels amplia hasta el centro de la uncus) ^12.
   4. Cabeza del hipocampo Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Dibuje una línea en el borde superior de la SR / SL / sección de SM lo largo / eje supero-medial infero-lateral del uncus. Etiqueta de toda la materia gris por encima de esta línea como CA2 / CA3 ^12. Etiqueta de cualquier materia gris sin etiqueta debajo de esta línea (a cada lado de la SR / SL / SM) como CA4 / DG ^12.
7. Slice F: hipocampo Cuerpo: Continuar para aplicar las fronteras descritas en el paso 3.6.1-3.6.2.
8. Slice G: Cola del hipocampo 1: Continuar para aplicar las reglas descritas en el paso 3.6.1-3.6.2. La frontera subículo-CA1 se convierte en una línea de 45º de ángulo que se extiende en la dirección inferior-medial del borde medial de la CA4 / DG ^12,22.
9. Slice H: Cola del hipocampo 2: Una vez que la circunvolución fasciculares ya no se pueden distinguir de la formatio hipocampon, etiquetar la capa exterior entero como CA1, el área de baja intensidad en el interior de este como SR / SL / SM (como en rodajas anteriores), y cualquier materia gris que queda en el medio como CA4 / DG ^12,22.
10. Slice I: Posterior-Most Slice: Una vez que la oscuridad SR / SL / SM ya no es visible en el centro de la formación del hipocampo, etiquetar toda la estructura como CA1 ^12,22.

4. Protocolo Confiabilidad

1. Resegment la derecha oa la izquierda del hipocampo de cada sujeto después de esperar aproximadamente un mes a partir de la realización de la segmentación inicial. Segmento todos los subcampos a lo largo de toda la longitud antero-posterior del hipocampo, tratando de seguir las reglas de protocolo tan consistente como sea posible.
2. Calcula kappa de los dados entre los volúmenes originales y resegmented:
   
   donde k = kappa de Dados y A y B son los volúmenes de etiquetas.

Resultados

. Los resultados de la prueba de la fiabilidad del protocolo se resumen en la Tabla 2 Para todo el hipocampo bilateral, significa superposición espacial, medida por kappa de los dados es 0.91 y oscila 0,90 a 0,92. Valores kappa de subcampo oscilan entre 0,64 (CA2 / CA3) a 0,83 (CA4 / giro dentado). Volúmenes media para todos los subcampos y todo el hipocampo se reportan en la Tabla 3. Los volúmenes para toda la gama hipocampo 2456,72 a 3325,02 mm

Discusión

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 ...

Materiales

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