מקיף פרוטוקול לפילוח ידני של מבנים המדיאלי Temporal האונה

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

המאמר הנוכחי מתאר פרוטוקול מקיף לאיתור ידני של הקבוצה של אזורים במוח הכוללת את האונה הטמפורלית מדיאלית (MTL): האמיגדלה, ההיפוקמפוס, ואזורים הקשורים parahippocampal (perirhinal, entorhinal, וparahippocampal נכון). שלא כמו רוב פרוטוקולי התחקות אחרים זמינים, בדרך כלל תוך התמקדות באזורים מסוימים MTL (למשל, האמיגדלה ו / או היפוקמפוס), הראייה אינטגרטיבית שאומצה על ידי הנחיות המעקב הנוכחיות מאפשרת ללוקליזציה ברורה של כל אזורי משנה MTL. על ידי שילוב של מידע ממגוון רחב של מקורות, כולל פרוטוקולי מעקב הקיימים בנפרד מיקוד מבנים שונים MTL, דוחות היסטולוגית, ואטלסי מוח, ועם ההשלמה של חומרים חזותיים להמחשה, הפרוטוקול הנוכחי מספק מדריך מדויק, אינטואיטיבי, ונוח להבנה האנטומיה MTL. הצורך בהנחיות מעקב כזהגם הודגש על ידי הממחיש את ההבדלים אפשריים בין פרוטוקולי פילוח אוטומטיים וידניים. ידע זה יכול להיות מיושם כלפי מחקר מעורב לא רק חקירות MRI מבניות אלא גם חילוץ מבני תפקודי colocalization ואות fMRI מROIs מוגדרת מבחינה אנטומית, בקבוצות בריאה וקליניות כאחד.

Introduction

באונה הטמפורלית מדיאלית (MTL), אזור המשוערת ברמה הגבוהה ביותר של אינטגרציה של מידע חושי ^1, היה נושא תכוף של ניתוחים ממוקדים. למשל, ההיפוקמפוס ואזורי parahippocampal הקשורים נחקרו רב בחקר זיכרון ^2-5. כמו כן, תפקידה של האמיגדלה כבר הדגיש לעתים קרובות במחקר בוחן עיבוד רגש ואינטראקציות רגש קוגניציה ^6-11. לאחרונה, אזורי MTL שונים גם זכו לתשומת לב בתחום המתפתח של מדעי המוח אישיות, המחבר את המבנה והתפקוד של אלה ובאזורים אחרים במוח לוריאציה אישית בתכונות אישיות ^12. הערכת האנטומיה ותפקוד של מבני MTL יכולה להיות חשובה בקידום האבחנה של מחלות ניווניות בי אנומליות מבניות ותפקודיות ספציפיות יכולות להתרחש במבני MTL שונים. לדוגמא, במחלת אלצהיימר (AD), משמעותיגביע של קליפת המוח וההיפוקמפוס entorhinal ניתן לצפות ^13,14, וניוון של ההיפוקמפוס יכול לחזות את המעבר מפגיעת קוגניטיבית קלה ^ל15 לספירה. אלגוריתמי פילוח אוטומטיים הפכו לאחרונה פופולריים עבור פילוח מבנים בקליפת המוח וקורטיקליים, אבל כמו עם כל כלי, תוכניות אלה באופן בלתי נמנע להיתקל בשגיאות בחלק ממקרים. במקרים כאלה חוקר צריך להיות מצויד בשני הידע והנחיות להכיר בגבולות האנטומי של מבני MTL. הנטייה בספרות הקיימת כבר למקד אזורי משנה MTL הבודדים ^16-21, עם פרוטוקולים רבים נוטים להתמקד ^ב16-19 היפוקמפוס.

שלא כמו רוב הקווים המנחים שפורסמו הזמינים למעקב MTL, הפרוטוקול הנוכחי מספק מערך מקיף של קווים מנחים שיאפשר ללוקליזציה ברורה של כל אזורי משנה MTL. הנחיות לאיתור מבני MTL הבאים מתוארות: האמיגדלה (שלי), ההיפוקמפוס (HC), קליפת מוח perirhinal (PRC), קליפת entorhinal (ERC), וקליפת parahippocampal (PHC). איימי והבג"צ הן לייחס ראשון, ולאחר מכן על ידי gyrus parahippocampal המבנים (PHG). שים לב שבג"צ גנרית משמש כאן כדי להתייחס להיווצרות HC, הכוללת את HC התקין, subiculum, והקטע האחורי של ^22-24 האנקול. כמו כן, שים לב שPHG ניתן לחלק לשני חלקים, החלק הקדמי והחלק האחורי. בתוך החלק הקדמי של PHG, זה יכול להיות מחולק נוסף לתוך PHG לרוחב והמדיאלי הקדמי, באזורים שקליפת המוח מתאימות לועדות ההתנגדות העממית וERC, בהתאמה. PHC, האזור בקליפת המוח של החלק האחורי של PHG, תואם את קליפת parahippocampal הראויה. מסיבות פשטות, אנחנו נהיה באמצעות מונחי ועדות ההתנגדות העממית וERC להתייחס לPHG הקדמי לרוחב והמדיאלי, וPHC להתייחס לPHG האחורי. Segmentation עבור כל מבנה מתחיל בלוקליזציה גסה של הגבולות הקדמי ואחוריים, יחד עם ציוני דרך רלוונטיים אחרים, אשר לאחר מכן ואחריו המעקב בפועל בוצע פרוסה אחר פרוסה במישור העטרה, בanterior-posterior/rostro-caudal כיוון. בכל המקרים, בסעיפי sagittal והציריים נמצאים תחת פיקוח הדוק כדי לסייע הלוקליזציה של גבולות וציונים דרך אנטומיים.

הצורך בהנחיות מעקב כזה הוא גם מאויר בדמויות בו מוצגות הבדלים אפשריים בין התפוקה של פרוטוקולי פילוח אוטומטיים וידניים. היתרון של פרוטוקול שמתאר את כל מבני MTL בתבנית החזותית הנוכחית הוא ששינויים באנטומיה (לדוגמא, העומק [CS] מענית בטחונות) שיכול להשפיע על הגדרות גבול ניתן לתאר בהקשר עם את האנטומיה שמסביב (לדוגמא , ועדות ההתנגדות העממית וERC המדיאלי וגבולות לרוחב להשתנות במיקום בהתאם לעומק של CS ²⁵ ). זה לא יכול להיות ברור או מובן לנותב חסר ניסיון או נותב מנוסה שעוקב רק מבנים בודדים או נפרדים, והידע שלנו, הנחיה כזו מקיפה מבחינה ויזואלית לא קיימת.

הפרוטוקול הנוכחי הוא הצגה מפורשת של הנחיות המשמשות למעקב MTL בחקירה קודמת זיהוי תרומות ההפרש מאזורי משנה MTL לאפקט זיכרון שיפור של רגש ^26, מותאמת לתמונות מוח ברזולוציה גבוהות יותר אפשרו על ידי ההתפתחויות האחרונות בתהודה מגנטית מבנית הדמיה (MR) . המעקב מודגם בסריקות שהתקבלו ממתנדבים בריאים (נקבה, בגילאי 24), באמצעות סורק 3T MR. תמונות אנטומיות נרכשו כ3D MPRAGE (TR = 1,800 אלפיות שני; TE = 2.26 אלפיות שני; FOV = 256 x 256 מ"מ; גודל voxel = 1 x 0.5 x 0.5 מ"מ) עם מקביל זווית רכישה לAC-PC. אם נתוני תמונה שנרכש עם רכישת זווית שונה, כגון נטייה אלכסונית, הנתונים צריכים להיות regridded למקביל או בניצב לכיוון AC-PC, כך שתיאורים אנטומיים ציון הדרך לתרגם כראוי. התמונות לאחר מכן תורגמו לפורמט NIFTI וקלט לתוך תוכנת פילוח ²⁷ למעקב ידני. נתוני סריקה בשימוש בפרוטוקול הנוכחי נאספו כחלק ממחקר שאושר על ידי דירקטוריון סקירה המוסדי, ומתנדב נתן את הסכמתו בכתב.

על ידי ציור מידע מפרוטוקולי מעקב נפרדים שונים למבנים אלה ^18-22,28-31, כמו גם מניתוחים ואטלסים ^23,32,33 אנטומיים, הפרוטוקול הנוכחי מציג מערך מקיף של קווים מנחים העוסקות בחוסר עקביות בספרות הקיימת. כהשלמה החומרים ויזואליים הנלווים, עבודה זו צפויה לקדם הבנה ברורה יותר של מבני MTL, ולעורר עניין למחקר עתידי באימוץ פילוח ידני, או כשיטת העיקרית של מעקב MTL או כsupplementaשיטת ר"י לפילוח אוטומטי. על ידי מתן הוראות מדויקות, אינטואיטיבי, ונוחה להבנת האנטומיה MTL, פרוטוקול זה יסייע לחוקרים לזהות את המיקום של כל אזורי משנה MTL, יחסית למבנים השכנים שלהם, גם כאשר רק כמה מבני MTL הם ממוקדים במיוחד עבור ניתוחים. זה לא רק להגדיל את דיוק לוקליזציה אלא גם יעזור לי קליעים נותבים לקבל החלטות מושכלות במקרים של שונות מורפולוגית, שהוא סביר מאוד בMTL. ניתן ליישם קווים מנחים אלה למחקר מעורב חקירות מבניות ו / או תפקודיות MRI של MTL ובו ניתוחים ונפח מוח אנומליה זיהוי, כמו גם הליכי איתור לתפקודי, אנטומי, וניתוחי tractographic, בקבוצות בריאה. הפרוטוקול הנוכחי יכול לשמש גם כדי ליידע את הפילוח של מבני MTL לחולים (למשל, חולים עם ניוון), אם ציוני דרך אנטומיים הגדולים נשמרים יחסית. איתור נושא קלינינתונים של יכולים לקחת זמן ומאמץ נוספים, בהתאם לחומרה של ניוון ו / או שינויים אנטומיים.

חשוב לקחת בחשבון את ההבחנה בין gyri וקליפת המוח בעת הגדרת החזר על השקעה. מבחינה אנטומית, gyrus כאן מתייחס לשני חומר לבן וחומר אפור, ואילו קליפת המוח מתייחס לחומר אפור בלבד. בהתאם לשימוש המיועד של ההחזר על ההשקעה, פילוחים עשויים לכלול חומר לבן או להוציא אותו.

אנו ממליצים על המעקב להתבצע ברצף, מסד על ידי מסד, בחצי הכדור אחד בכל פעם. חבילות תוכנה מסוימות ³⁴ לאפשר לאיתור גבולות שהותוו על פרוסה אחת ליודבק על גבי פרוסות עקב, תכונה המאיצה את התהליך. זה תמיד רצוי להתייחסות האונה המנוגדות במידת צורך, על מנת לבדוק אם יש אחידות בין שני הצדדים (למשל, באיתור אתרים אנטומיים). לחלופין, מעקב מקביל של אותו המבנים בתוך שני החצים הכדורים יכול גם להתבצע. ללא קשר אם המעקב הוא רציף או במקביל, ברגע שהתהליך הושלם, קליעים נותבים צריכים לבדוק שוב את התוצאה הסופית ולבצע התאמות על פי צורך, התייחסות שני האונות ונוף מטוס מרובה. בהתאם לניסיון של נותב והרזולוציה של נתוני ההדמיה, פילוח ידני של MTL לנתונים נושא בריאים יכול לקחת 8-10 שעה או יותר, במקרה של נותב טירון, 3-4 שעות, ב מקרה של ניסיון אחד.

סקירת איור 1. 3D של MTL, איתרה באמצעות הפרוטוקול הנוכחי. מבנים שמוצגים כאן הן איימי (אדום), HC (הכחול), הרפובליקה העממית של סין (הצהובה), ERC (ורוד), וPHC (הירוק) .

Protocol

1. האמיגדלה

1. קדמי פרוסות של איימי
   1. זהה את הפרוסה הראשונה של איימי שבי אינסולה limen תחילה מופיעה, שבו החיבור בין החומר הלבן הקדמי והאונה הטמפורלית הוא רציף וגלוי ^30. בתצוגת העטרה, להשתמש בחבילה זוויתי כגבול inferolateral של איימי.
   2. אתר את התצלובת הראייה כנקודת ציון להופעה של איימי. השתמש בצירי ונוף sagittal להבחין AMY בפרוסות המוקדמות שלה מהאנקול שמסביב. בצע את מערכת חומר הלבנה סביב איימי בתצוגה צירית להוציא את אזור entorhinal ^32.
   3. העברה בדיעבד, לזהות את הפרוסה הראשונה שבו השליך הקדמי היא רציף לאורך שני האונות ^28, שבו איימי היא גלויה לעין בצורה האופיינית לו. עקוב אחר נגד כיוון השעון איימי באמצעות מענית entorhinal כגבול superomedial, הקו הדמיוני מהקרקעית של sulcu semianularים לאורך החומר הלבן ועד לקצה הנחות של איימי כגבול inferomedial, הגזע הזמני כגבול לרוחב, ובחזרה למענית entorhinal כדי להשלים ^{ביום 31 במעקב.}
2. אחורי פרוסות של איימי
   1. שים לב כי ברמה זו, גם איימי וHC נראה באותה פרוסה (ים).
   2. ובכל זאת בתצוגת העטרה, לזהות את הפרוסה האחרונה של איימי שבו המבנה הוא מעולה להארכה המדיאלי של הקרן הטמפורלית של חדר לרוחב ³⁶ (או alveus אם החדר אינו נוכח) ורוחב כדי gyrus אונקלי, הבליטה של הראש HC. בדוק את השקפות sagittal וציריות לעקיבה מדויקת ועקבית.
   3. צייר קו דמיוני מהקרקעית של מענית המעגלית הנחותה של אינסולה למערכת אופטית כגבול מעולה של ^{31 באיימי,} שגם מבדילה אותו מהחומר האפור של pallidus גלובוס וputamen.
   4. צייר קו לאורךgyrus semilunar כגבול superomedial ולא לכלול את gyrus אונקלי ^32. השתמש בקרן הנחותה של החדר לרוחב והגזע הזמני לתיחום לרוחב.
3. Slices רצוף של איימי בכיוון קדמי, אחורי
   1. באופן שיטתי לעקוב אחר פרוס פרוס-by-AMY באמצעות ההנחיות הרלוונטיות לעיל. בחלק הקדמי של איימי, להשתמש באותם גבולות כמו לקדמית ביותר הפרוסה; לעומת זאת, בחלק האחורי של איימי, להשתמש באותם גבולות כמו לפרוסה האחורית-ביותר.
   2. להמשיך ולהעסיק את הדעות צירי וsagittal כדי לעזור להגדיר ולחדד עוד את גבולות איימי.

2. ההיפוקמפוס

1. לוקליזציה HC
   1. בגין מעקב בג"צ כאשר הקרן הטמפורלית של החדר לרוחב מופיעה לאורך גבול inferolateral של איימי. אם הקרן הטמפורלית של החדר לרוחב הוא כבר נמצא על פרוסות קודמות, שים לב שהתחילת דואר של HC מצויינים לאחר מכן על ידי הקרן הטמפורלית של החדר לרוחב הרחבת ומתיחת superolaterally.
   2. בסופו של המעקב של HC עם ההופעה האחרונה שלה inferomedial לtrigone של החדר לרוחב ^{31 ב.} תמיד לנצל את ההשקפות חלופיות כדי לעזור למקם את בג"צ ואת גבולותיה.
2. הגדרות גבול של בג"צ
   1. להתוות את בג"צ לרוחב נגד הקרן הזמנית. במקרים בהם הקרן הטמפורלית של החדר לרוחב לא לתפישה מספיק, להוציא שורה אחת של voxels מהפילוח כדי לציין את זה.
   2. Inferiorly, השתמש בחבילה זוויתי (או ההארכה הדמיונית שלה) לחלל החדר כדי להפריד את בג"צ מPHG. השתמש alveus יחד עם fimbria כגבול העליון. מעקב בג"צ באמצעות אותן ההגדרות לאורך כל דרך.
   3. בנוסף, כולל subiculum לפילוח כזה שהוא מדיאלית גובל בחבילה הלבנה העניין של PHG, המיישרת superiorlyעם העקומה של האנקול, ומרחיבה בעיקר בצורה אופקית מHC ^37. איתור בדיעבד, לשמור הגדרות אלה עד מענית calcarine מתערבת.
3. חטיבות וציין של בג"צ
   1. שים לב שHC ניתן לחלק לשלושה חלקים: ראש, גוף וזנב.
   2. השתמש במראה של קודקוד uncal כדי לסמן את המעבר מהראש HC לגוף HC, ועולה והתרחבות מהירים בגודלם, אשר בדרך כלל עולה בקנה אחד עם הופעתו של היחידות להחלפה העצמית של fornix, כדי לסמן את המראה של זנב HC ^23,30,38.
4. להקדיש תשומת לב מיוחדת, כאשר התחקות המבנים הבאים.
   1. כולל את האנקול האחורי בפילוח.
   2. להשמיט את מקלעת דמית העין מעל alveus מהפילוח על פרוסות העטרה, אם כי זה לא יכול להיות אפשרי בתמונות ברזולוציה נמוכה יותר.
   3. עיין בשתי התצוגות חלופיות כדי למנוע את הכללתו של הזנב של גaudate וpulvinar בהיבט מעולה של זנב HC.
   4. הימנע מהכללת gyrus fascicular על ידי וציין את הופעתה ברמה של היחידות להחלפה העצמית של fornix, שבו בהתחלה זה מופרד מהזנב בהיפוקמפוס ידי cinerea fasciola ועוד בדיעבד הופכת החומר האפור עדיף על מענית calcarine ^32.

איור 2. פרוסת sagittal נציג MTL איתר באמצעות הפרוטוקול הנוכחי, המציג את המיקום האמיתי שלו במוח, ואת המיקומים יחסי בין המבנים העיקריים שלה, כלומר, איימי (אדום), HC (הכחול), הרפובליקה העממית של סין (צהוב), ERC (ורוד), וPHC (הירוק).

3. Parahippocampal gyrus

1. חטיבות וציין של PHG
   1. שימו לב שca PHGn ניתן לחלק לשני מגזרים עיקריים: PHG הקדמי (כלומר, ועדות ההתנגדות העממית וERC), וPHG האחורי (כלומר, PHC).
   2. שים לב כי במקטע הקדמי, ועדות ההתנגדות העממית מופיעה מוקדם יותר מאשר ERC, ונושק זה רוחבי לאורך כל מהלכו.
   3. לאחר ERC נעלם, יש לציין כי ועדות ההתנגדות העממית מכלילה את מקומה על PHG וממשיכה ל3 מ"מ.
   4. מעבר למגזר זה, לעקוב אחר PHG האחורי, שבו PHC משתלט על הרוחב של PHG עד סופו ^30.
2. קדמי פרוסות של PHG
   1. הגדר את הפרוסה הראשונה של הרפובליקה העממית של סין עם הופעתו של ^25,39 CS. לפני תחילתה של ERC, לאתר את ועדות ההתנגדות העממית מהקצה המדיאלי של הבנק לרוחב של CS לקרקעית לרוחב של הרכס של וואלב, או זה של המדיאלי אחד אם שתי gyri של וואלב נמצאים, או את נקודת האמצע של הגבה משטח temporopolar בהעדר gyrus זה ^25,39.
   2. התחל לעקוב אחר מ"מ ERC 5nterior לlimen אינסולה ^40,41.
   3. המשך מעקב ERC באמצעות הפונדוס של מענית temporopolar המדיאלי כמו הסוף מעולה ^40, והקרקעית של מענית semiannular אחרי איימי מופיע, או הנקודה בה הסיומת הדמיונית של צרור זוויתי עומדת בחלל החדר, אם מענית semiannular היא אין להבחין ^25. שים לב שזה מרחיב inferiorly לפגוש את חלל החדר או שטח pial ישירות.
   4. הגבול בין הרפובליקה העממית של סין וERC עשוי להשתנות מפרוסה לחתוך.
      1. כאשר CS הוא עמוק (≥ 1.5 סנטימטר), לאתר את ועדות ההתנגדות העממית מהקצה המדיאלי של הבנק המדיאלי של מענית זה, לנקודת האמצע של הבנק לרוחב שלה ^25.
      2. במקרים עם CS רגיל (עומק של 1-1.5 סנטימטר), לאתר את ועדות ההתנגדות העממית כאזור מנקודת האמצע של הבנק המדיאלי של מענית בטחונות לסוף המדיאלי של הבנק לרוחב של מענית ^25.
      3. עם CS הרדוד (<1 סנטימטר), לאתר את ועדות ההתנגדות העממית מהקרקעית של מענית זה לאמצע הכתר של הפיתול הדמוי הכישור ^25.
   5. כאשר CS נקטע, בדרך כלל ברמה של שיא uncal, על ידי gyrus קטן מתעורר מקרקעיתה, לאתר את ועדות ההתנגדות העממית לקרקעית של מענית לרוחב ^25. לכלול או לא לכלול חומר לבן בהתאם למטרה להחזר על ההשקעה.
   6. עקוב אחר ERC עד אחורי 1.5 מ"מ לשיא uncal, או סוף gyrus intralimbicus ^42.
   7. להאריך את המעקב של ועדות ההתנגדות העממית מדיאלית לכבוש את מקומו של ERC לאחר סיומה, שבו ההגדרות עבור האחרונים ימשיכו לחול עד אחורי 4.5 מ"מ לשיא uncal, או סוף gyrus intralimbicus ^42. ועדות ההתנגדות העממית מוחלפת לאחר מכן על ידי PHC ^25,30.
3. אחורי פרוסות של PHG
   1. התחל לעקוב אחר PHC על אחורי הפרוסה לסוף של ועדות ההתנגדות העממית, עד 4 מ"מ אחורי כדי לאהוא בסופו של זנב HC ^32. הגדרות אלטרנטיביים מהספרות מתוארות בסעיף הדיון. שוב, לכלול או לא לכלול חומר לבן בהתאם ליעד.
   2. להתוות את PHC תוך שימוש באותה שיטה המתוארת בחלק האחורי של ועדות ההתנגדות העממית לאחר היעלמותו של ERC. גם להשתמש בחומר הלבן של cingulum כגבול מעולה ברגע שהיא מופיעה. המשך מעקב באופן זה עד להופעתו של מענית calcarine, המגבילה את PHC superomedially לקצה הנחות של מענית ^30.
   3. צריכה מיני מענית מופיעה לפני הופעתה של מענית calcarine, לכלול אותו בפילוח, אבל להיות זהיר בהבחנתו ממענית calcarine.

תוצאות

איור של הבדלים אפשריים בין פילוח הידני ואוטומטי

מודל 3D של הפילוח הידני עבור איימי, HC, ועדות ההתנגדות העממית, ERC, וPHC מוצג באיור 1, וסעיף sagittal של הפילוח מוצג באיור 2. לצורך המחשת הבדלים אפשריים קיצוניים בין ...

Discussion

באופן מסורתי, פילוח ידני נחשב תקן הזהב על ידי חוקרים רבים. עם זאת, תיחום מדויק של המבנים הבודדים כבר מסובך ידי המורפולוגיה משתנה מאוד ממבני MTL, ועל ידי ניגודי MRI בדרך כלל החלשים של מבנים אלה נגד אזורי רקמות ואינן עצביים העצביים שמסביב. מבחינה היסטורית, היו תיאורים סותרי...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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
Siemens Magnetom Trio 3T MR Scanner	Siemens	Magnetom Trio 3T