Haute résolution<em&gt; In Vivo</em&gt; Protocole de segmentation manuelle pour les sous-zones de l&#39;hippocampe humain Utilisation 3T imagerie par résonance magnétique

Résumé

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.

Résumé

L'hippocampe humain a été largement étudiée dans le contexte de la mémoire et la fonction cérébrale normale et son rôle dans différents troubles neuropsychiatriques a été très étudié. Bien que de nombreuses études d'imagerie traiter l'hippocampe comme une seule structure unitaire neuro-anatomique, il est, en fait, constitué de plusieurs sous-zones qui ont une géométrie tridimensionnelle complexe. En tant que tel, il est connu que ces sous-zones remplissent des fonctions spécialisées et sont affectés différemment par le cadre de différents états pathologiques. Résonance magnétique (MR) de formation d'image peut être utilisé comme un outil puissant pour interroger la morphologie de l'hippocampe et de ses sous-zones. Beaucoup de groupes utilisent des logiciels de pointe d'imagerie et le matériel (> 3T) à l'image les sous-champs; Cependant ce type de technologie peut ne pas être facilement disponibles dans la plupart des centres de recherche et d'imagerie clinique. Pour répondre à ce besoin, ce manuscrit fournit un protocole détaillé étape par étape pour segmenter la longueur antéro-postérieur completde l'hippocampe et de ses sous-champs: corne d'Ammon (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté (DG), les strates radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), et subiculum. Ce protocole a été appliqué à cinq sujets (3F, 2M, 29-57 ans, 37 avg.). Protocole fiabilité est évaluée par resegmentation soit la droite ou la gauche hippocampe de chaque sujet et le calcul du chevauchement utilisant kappa la métrique de l'Dice. Coefficient Kappa moyen de Dice (plage) sur les cinq sujets sont: l'hippocampe ensemble, 0,91 (0,90 à 0,92); CA1, 0,78 (0,77 à 0,79); CA2 / CA3, 0,64 (de 0,56 à 0,73); CA4 / gyrus denté, 0,83 (0,81 à 0,85); strates radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68 à 0,73); subiculum et 0,75 (de 0,72 à 0,78). Le protocole de segmentation présentée ici fournit d'autres laboratoires avec une méthode fiable pour étudier les sous-zones de l'hippocampe hippocampe et in vivo en utilisant des outils couramment disponibles MR.

Introduction

L'hippocampe est une structure largement étudiée temporal médian de lobe qui est associé à la mémoire épisodique, la navigation spatiale, et d'autres fonctions cognitives ^10,31. Son rôle dans les maladies neurodégénératives et neuropsychiatriques tels que la maladie de Alzheimer, la schizophrénie et le trouble bipolaire est bien documenté ^{4,5,18,24,30.} Le but de ce manuscrit est de fournir des détails supplémentaires au protocole de segmentation manuel publié précédemment pour ³⁴ sous-champs de l'hippocampe humaines sur-haute résolution résonance magnétique (MR) images acquises à 3T. En outre, la composante vidéo accompagnant ce manuscrit sera fournir une aide supplémentaire aux chercheurs qui souhaitent mettre en œuvre le protocole sur leurs propres bases de données.

L'hippocampe peut être divisé en sous-domaines basés sur les différences observées dans cytoarchitectoniques histologiquement préparé post-mortem spécimens ^12,22. Ces spécimens post-mortem définissent le Ground vérité pour l'identification et l'étude des sous-zones de l'hippocampe; Mais les préparatifs de cette nature exigent des compétences et de l'équipement pour la coloration spécialisés, et sont limitées par la disponibilité de tissu fixe, en particulier dans les populations malades. imagerie in vivo a l'avantage d'un bassin beaucoup plus large de sujets, et présente également l'occasion pour suivi des études et l'observation des changements dans les populations. Bien qu'il ait été montré que les intensités du signal en T2-pondérés ex vivo images IRM refléter la densité cellulaire ^13, il est encore difficile d'identifier les frontières contestées entre des sous-champs en utilisant uniquement MR intensités de signal. En tant que tel, un certain nombre d'approches différentes pour identifier des détails au niveau de l'histologie sur les images IRM ont été développés.

Certains groupes ont fait des efforts de reconstruction et de numériser les ensembles de données histologiques et ensuite utiliser ces reconstructions ainsi que des techniques d'enregistrement d'image pour localiser le sous-champ hippocampique neuroanatnomie dans vivo MR ^{1,2,8,9,14,15,17,32.} Bien que ce soit une technique efficace pour cartographier une version de la vérité terrain histologique directement sur les images IRM, des reconstitutions de cette nature sont difficiles à remplir. Des projets comme ceux-ci sont limités par la disponibilité de spécimens intacts médiale du lobe temporal, les techniques histologiques, la perte de données lors du traitement histologique, et les incohérences morphologiques fondamentales entre le cerveau in vivo fixes et dans. D'autres groupes ont utilisé des scanners à haut champ (7T ou 9.4T) dans un effort d'acquérir in vivo ou ex vivo avec des images assez petit (de 0,20 à 0,35 mm isotrope) taille de voxel de visualiser spatialement différences de contraste de l'image qui sont utilisés pour localisées inférer frontières entre les sous-zones ^35,37. Même à 7T-9.4T et avec une telle petite taille de voxel, les caractéristiques des sous-zones de l'hippocampe cytoarchitectoniques ne sont pas visibles. En tant que tel, les protocoles manuels de segmentation ont été développés qui approximate les limites histologiques connus sur les images RM. Ces protocoles déterminer les limites de sous-zones par l'interprétation des différences de contraste d'image locales et la définition de règles géométriques (telles que les lignes et les angles droits) par rapport aux structures visibles. Bien que les images prises à une intensité de champ élevée sont en mesure d'offrir un aperçu détaillé de sous-champs de l'hippocampe, les scanners à champ élevé ne sont pas encore très répandue dans les milieux cliniques ou de recherche, de sorte que les protocoles 7T et 9.4T ont actuellement applicabilité limitée. Des protocoles similaires ont été développés pour les images recueillies sur 3T et 4T scanners ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Beaucoup de ces protocoles sont basés sur les images avec des sous-1mm dimensions voxels de voxels dans le plan frontal, mais avoir de grandes épaisseurs de tranche (0,8-3 mm) ^{11,20,21,23,25,28,33} ou de grandes distances inter-tranche ^20,28, les deux qui se traduisent par un biais de mesure important dans l'estimation des volumes de sous-champs individuels. En outre, la plupart des protocoles existants 3Texclure les sous-champs dans tout ou partie de la tête ou la queue ^20,23,25,33 hippocampe ou ne fournit pas segmentations détaillées de structures importantes (par exemple, combiner le DG avec CA2 / CA3 ou ne comprennent pas les strates radiatum / lacunosum / moleculare de le CA) ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Il existe donc un besoin dans le domaine pour une description détaillée d'un protocole qui peut identifier de manière fiable sous-champs pertinents tout au long de la tête, le corps et la queue de l'hippocampe qui est basé sur un scanner couramment disponible dans les paramètres cliniques et de recherche. Des efforts sont actuellement en cours par le sous-zones Groupe hippocampe (www.hippocampalsubfields.com) d'harmoniser le processus de segmentation de la sous-zone de l'hippocampe entre les laboratoires, semblable à un effort d'harmonisation existante pour toute la segmentation de l'hippocampe ^6, et un premier document comparant 21 protocoles existants a été publié récemment ³⁸ . Le travail de ce groupe va encore élucider segmentation optimale procédures.

Ce manuscrit fournit des instructions écrites et détaillées vidéo pour mettre en œuvre de manière fiable le protocole sous-champ de segmentation de l'hippocampe décrit précédemment par Winterburn et ses collègues ³⁴ sur des images haute résolution 3T MR. Le protocole a été mis en œuvre sur cinq images de témoins en bonne santé pour l'ensemble de l'hippocampe et de cinq sous-zones de l'hippocampe (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté, strates radiatum / lacunosum / moleculare et subiculum). Ces images segmentées sont à la disposition du public en ligne (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Le protocole et les images segmentées seront utiles pour les groupes qui souhaitent étudier en détail l'hippocampe neuroanatomie dans les images IRM.

Protocole

Etude participants

Le protocole dans ce manuscrit a été développé pour représentatifs cinq images à haute résolution recueillies chez des volontaires sains (3F, 2M, 29-57 ans, AVG 37.) Qui étaient libres de troubles et les cas de traumatisme crânien grave neurologiques et neuropsychiatriques. Tous les sujets ont été recrutés au Centre de toxicomanie et de santé mentale (CAMH). L'étude a été approuvée par le Comité d'éthique de la recherche CAMH et a été menée en conformité avec la Déclaration d'Helsinki. Tous les sujets prévus écrite, le consentement éclairé pour l'acquisition des données et le partage. Pour plus de détails au sujet de la séquence d'acquisition utilisée pour recueillir ces images, s'il vous plaît se référer à Winterburn et al., 2013 et Park et al., 2014. ^26,34 Images pour les cinq sujets ont été contrôlés pour la qualité et conservés. L'hippocampe a duré une moyenne de 118 coupes coronales dans ces images.

1. Logiciel Set-up

1. Ouvrir Affichage: Depuis le terminal en utilisant la commande suivante: Affichage image_name.mnc -label label_name.mnc. Le programme ouvrira 3 fenêtres: fenêtre de visualisation 3D, l'image 3-orientation fenêtre de visualisation, et une fenêtre de navigation. Le terminal sera également utilisé pour exécuter le programme. Agrandir la vue coronale, que les segmentations seront effectuées coronaire. Zoom sur l'hippocampe. Sélectionnez F (segmentation) dans la fenêtre de navigation. Sélectionnez F (XY Rayon: 0,1). La fenêtre de terminal demandera à l'utilisateur de "Entrez la taille du pinceau xy:". Régler à 0,1. Cela va régler la taille de votre pinceau. L'utilisateur peut maintenant commencer à dessiner l'hippocampe sur l'image MR.

2. Le total des Hippocampus Manuel Segmentation

1. Set-up: Utiliser une image pondérée en T1, faites défiler jusqu'à la tranche antérieure-plus coronaire de l'hippocampe. Pour faire avancer les tranches dans la direction antérieure, utilisez la touche «+»; utiliser la touche - pour se déplacer dans la direction postérieure ''.
2. Tranche A: antéro-plus Slice: Utilisation du clic droit de la souris, dessiner la frontière la plus externe de la matière grise de l'hippocampe où il rencontre le lobe temporal matière blanche environnante et utiliser la haute intensité de matière blanche du alveus pour aider à la frontière supérieure, où l'hippocampe répond l'amygdale ^12,22. Utilisez la touche E (Etiquette Fill) dans le menu de la segmentation de la fenêtre de navigation pour remplir l'étiquette à l'intérieur de la frontière. Continuer à appliquer ces frontières tout au long de la tête de l'hippocampe antérieur.
3. Tranche B: 1 Chef de l'hippocampe (figure 1B):
   1. , Inférieurs, latéraux, bords internes supérieurs: continuer à attirer les frontières comme décrit dans l'étape 2.2, en utilisant la substance blanche du lobe temporal et alveus comme un guide.
   2. Frontière Supero-médiale: Pour cela, l'aide de la vue axiale, tracez une ligne horizontale du bord antérieur de l'hippocampe ^latéral 29, et comprennent rien en dessous de cette ligne comme l'hippocampe.NOTE: La frontière supéro-médial devient plus ambigu dans ces tranches, où la matière grise de l'hippocampe se confond avec la matière grise de l'amygdale.
4. Tranche C: hippocampe Chef 2 avec indentations: Selon le sujet, les indentations de l'hippocampe peuvent être visibles pendant 3-4 tranches (en général, ils sont plus visibles sur-pondérés par rapport à T2 images pondérées en T1). Dans ces tranches, continuer à utiliser la substance blanche du lobe temporal alveus et pour guider la segmentation ^12,22 frontière. Pour plus de détails, suivez les étapes 2.5.1-2.5.2.
5. Tranche D: Chef hippocampe 3:
   1. , Inférieurs, latéraux, bords internes supérieurs: dessiner la bordure inférieure de l'hippocampe à la substance blanche du lobe temporal, le bord latéral à la corne inférieure du ventricule latéral, le bord supérieur, suivant la courbe des indentations, à la substance blanche du alveus / frange, et la frontière médiale à la regio hypon de la citerne ambiante ^12,22.
   2. Supero-médial et frontières inféro-médiale: continuons à définir la frontière supéro-médial comme décrit à l'étape 2.3.2. Dessiner la partie inférieure de la frontière médiale où l'hippocampe fluidifie légèrement et se prolonge dans la matière grise légèrement hyperintense du cortex entorhinal ^12,22.
6. Tranche E: hippocampe Head 4 avec Uncus: Continuer à tirer les frontières inférieures, latérales et supérieures décrites dans les étapes 2.5.1-2.5.2. Inclure l'uncus (qui est situé médaille au corps principal de l'hippocampe et est entouré par CSF de faible intensité) dans le hippocampe segmentation ^{12,2 2.}
7. Tranche F: hippocampe Corps: Continuer à tirer les frontières inférieures, latérales, médianes et supérieures décrites dans les étapes 2.5.1-2.5.2. Dessinez la frontière inféro-médial au point où l'hippocampe amincit sa transition vers cortex entorhinal / para-hippocampique gyrus ^12,22.Ne pas inclure le CSF de faible intensité du sillon hippocampique résiduelle dans la segmentation.
8. Slice G: Tail hippocampe 1: Commencez la segmentation de l'hippocampe tranches de type queue quand les crus de la voûte est d'abord visible. Exclure le gyrus fascicular (une structure de la matière grise qui se confond avec l'hippocampe dans certaines parties de la queue de l'hippocampe) de la segmentation par extrapolation de la forme du gyrus fascicular dans la queue de l'hippocampe de plusieurs tranches antérieures ^12,22. Cette extrapolation est possible uniquement pour les tranches 2-3, après quoi les deux structures ne peuvent pas être distingués avec précision; à ce stade, de traiter toute la matière grise visible dans ce domaine comme l'hippocampe.
9. Slice H: Tail hippocampe 2: Segment de la faible intensité de matière grise de la queue de l'hippocampe postérieur de la haute intensité de matière blanche environnante.
10. Tranche I: le plus postérieur Slice: Segment de la petite zone restante de la matière grise de l'hippocampe dela substance blanche autour du lobe temporal.

3. La sous-zone de l'hippocampe Manuel Segmentation

1. Set-up: Utiliser une image pondérée en T2, faites défiler jusqu'à la tranche antérieure-plus coronaire de l'hippocampe (comme dans l'étape 2.1). Pour changer la couleur du pinceau, sélectionnez D (Set Peinture Lbl :) dans le menu de segmentation dans la fenêtre de navigation. Le terminal de commande vous demandera: "Entrez étiquette de la peinture actuelle:". Entrez un nombre entre 1 et 255. Chaque numéro correspond à une étiquette de couleur différente.
2. Tranche A: antéro-plus Slice: Depuis divisions de sous-zones ne sont pas encore visibles dans la partie antérieure plus à couper, dessiner une ligne divisant la matière visible de l'hippocampe grise le long de son axe visible la plus longue (qui ne sont pas nécessairement parallèle à l'un des axes cardinaux) dans deux sections égales rapproche de la véritable ^12,22 anatomie. Étiqueter le supérieur de ces deux sections que CA1 et la section inférieure comme subiculum par choosing une étiquette de couleur différente pour chaque sous-champ ^23,35.
3. Tranche B: hippocampe Chef 1: Étiquette de la zone de faible intensité dans le milieu de la formation hippocampique SR / SL / SM ^13,37. Lorsque le coude le long du bord inférieur de l'hippocampe devient clair, utiliser ce repère comme la frontière séparant le latéral subiculum du CA1 ^12,22. Continuez à suivre l'axe le plus long de l'hippocampe pour dessiner la bordure CA1-subiculum sur la pointe supéro-médial ^37.
4. Tranche C: Tête hippocampe 2 avec indentations:
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum: Label de la SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum comme décrit pour la tranche D (étape 3.5.1).
   2. CA2 / CA3 et CA1: Définir la frontière entre CA1 et CA2 / CA3 comme une ligne d'angle de 45 ° étendant dans la direction supéro-latérale entre le bord le plus supéro-latérale de la SR / SL / SM ^12,22. Étendre la CA2 / CA3 médiane le long du bord supérieur à l'auge entre le dentations ^12,22. Etiqueter le reste du bord supérieur comme CA1 ^12,22.
5. Tranche D: hippocampe Chef 3
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum: Marquez l'obscurité SR bande / SL / SM première, qui va suivre la courbe de la CA1 ^37. Étiqueter un à haute intensité de matière grise à l'intérieur de la SR / SL / SM comme CA4 / DG ^{12,22,23,35,37.} Cela peut ne pas être une région continue, comme dans la figure 2C. Continuer à définir la frontière subiculum-CA1 utilisant le coude dans l'hippocampe inférieurs ^12,22.
   2. CA2 / CA3 et CA1: continuera de définir les CA1 et CA2 / CA3 frontière comme à l'étape 3.4.2. Étendre la CA2 / CA3 dedans mi-chemin le long du bord supérieur de l'hippocampe ^12,22 et étiqueter l'autre moitié du bord supérieur comme CA1 ^12,22.
   3. La tête de l'hippocampe Supero-médiale: Dans cette tranche, diviser la tête de l'hippocampe supéro-médial en deux verticalement. Label de la moitié médiale SR / SL / ^SM 12. Diviser le latéralmoitié en demi nouveau, cette fois à l'horizontale. Étiqueter la partie supérieure comme CA4 / DG et la partie inférieure comme CA2 / CA3 ^12.
6. Tranche E: hippocampe Head 4 avec Uncus
   1. La tête de l'hippocampe latéral (subiculum): Dans la partie latérale de ces tranches, définir la frontière subiculum-CA1 comme une ligne verticale étendant dans la direction inférieure du bord le plus médial de la CA4 / DG ^12,22.
   2. Chef latéral de l'hippocampe (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Définir la frontière CA1-CA2 / CA3 de la même manière que dans l'étape 3.4.2. Continuer à marquer le SR / SL / SM comme la région de faible intensité suivant la courbe des régions de Californie. Etiqueter le CA4 / DG que la cavité centrale à l'intérieur du SR / SL / SM, comme à l'étape 3.5.1.
   3. La tête de l'hippocampe Uncal (SR / SL / SM): étiqueter les uncus de l'hippocampe pendant environ 10 tranches que les transitions à la tête de l'hippocampe dans le corps de l'hippocampe. Dans l'uncus, étiqueter la région de faible intensité dans le centre SR / SL / SM (lorsque cela est difficile à voir, approcher l'anatomie en segmentant une ligne 2-3 voxels large place au centre de l'uncus) ^12.
   4. La tête de l'hippocampe Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Tracez une ligne sur le bord supérieur de la SR / SL section / SM long de l'axe de inféro-latéral / supéro-médial de l'uncus. Étiqueter toute la matière grise au-dessus de cette ligne comme CA2 / CA3 ^12. Étiqueter toute la matière grise non marquée dessous de cette ligne (de chaque côté de la SR / SL / SM) que CA4 / DG ^12.
7. Tranche F: hippocampe Corps: Continuer d'appliquer les frontières décrites à l'étape 3.6.1-3.6.2.
8. Slice G: Tail hippocampe 1: Continuer à appliquer les règles décrites dans l'étape 3.6.1-3.6.2. La frontière subiculum-CA1 devient une ligne 45º d'angle étendant dans la direction inféro-médial du bord médial de la CA4 / DG ^12,22.
9. Slice H: Tail hippocampe 2: Une fois le gyrus fasciculaires ne peuvent plus être distingués de la formatio hippocampiquen, étiqueter l'ensemble de la couche externe que CA1, la zone de faible intensité à l'intérieur de ce que SR / SL / SM (comme dans les tranches précédentes), et toute la matière grise reste dans le milieu comme CA4 / DG ^12,22.
10. Tranche I: le plus postérieur Slice: Une fois l'obscurité SR / SL / SM est plus visible dans le centre de la formation hippocampique, étiqueter l'ensemble de la structure que CA1 ^12,22.

4. Protocole Fiabilité

1. Resegment soit la droite ou la gauche hippocampe de chaque sujet après avoir attendu environ un mois à partir de l'exécution de la segmentation originale. Segment de tous les sous-champs le long de toute la longueur antéro-postérieur de l'hippocampe, en essayant de suivre les règles de protocole aussi cohérente que possible.
2. Calculer le kappa de dés entre les volumes originaux et resegmented:
   
   où k = kappa et A et B sont Dice volumes d'étiquettes.

Résultats

. Les résultats de l'essai de la fiabilité du protocole sont résumés dans le tableau 2 Pour l'ensemble de l'hippocampe bilatérale, signifie chevauchement spatial tel que mesuré par le kappa de Dice est de 0,91 et varie de 0,90 à 0,92. Valeurs de kappa de sous-zones vont de 0,64 (CA2 / CA3) à 0,83 (CA4 / gyrus denté). Volumes moyens pour tous les sous-domaines et l'ensemble de l'hippocampe sont rapportées dans le tableau 3. Les volumes pour ...

Discussion

Hippocampe segmentation du sous-champ dans les images IRM est bien représentée dans la littérature. Cependant, les protocoles existants excluent des parties de l'hippocampe ^20,23,33,35, appliquent uniquement aux images fixes ^37, ou exigent des scanners ultra-haut champ pour l'acquisition de l'image ^35,37. Ce manuscrit offre un protocole de segmentation qui comprend cinq grandes subdivisions (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté, SR / SL / SM, et subiculum) de l'hippocamp...

matériels

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