Alta risoluzione<em&gt; In Vivo</em&gt; Manuale Protocollo Segmentazione for Human ippocampale Sottocampi Utilizzando 3T Risonanza Magnetica

Riepilogo

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.

Abstract

L'ippocampo umano è stata ampiamente studiata nel contesto della memoria e funzione cerebrale normale e il suo ruolo in diversi disturbi neuropsichiatrici è stato fortemente studiato. Mentre molti studi di imaging trattano l'ippocampo come un'unica struttura neuroanatomica unitaria, è, infatti, costituito da diversi sottocampi che hanno una geometria complessa tridimensionale. Come tale, è noto che questi sottocampi svolgono funzioni specializzate e sono differenzialmente influenzati attraverso il corso di diversi stati patologici. La risonanza magnetica (MR) possono essere utilizzati come un potente strumento per interrogare la morfologia dell'ippocampo e dei suoi sottocampi. Molti gruppi usano software avanzato di imaging e hardware (> 3T) per l'immagine dei sottocampi; tuttavia questo tipo di tecnologia non può essere prontamente disponibili in molti centri di ricerca e di imaging clinico. Per rispondere a questa esigenza, questo manoscritto fornisce un protocollo dettagliato passo-passo per segmentare la lunghezza antero-posterioredell'ippocampo e dei suoi sottocampi: cornu Ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato (DG), strati radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), e subiculum. Questo protocollo è stato applicato a cinque soggetti (3F, 2M, 29-57 anni, 37 avg.). Affidabilità protocollo è valutata resegmenting destra oa ippocampo fianco di ogni soggetto e calcolando la sovrapposizione con kappa metrica della Dice. Media di Dice kappa (range) attraverso cinque soggetti sono: intero ippocampo, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0,64 (,56-0,73); CA4 / giro dentato, 0,83 (0,81-0,85); strati radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); e subiculum 0,75 (0,72-0,78). Il protocollo di segmentazione qui presentata fornisce altri laboratori con un metodo affidabile per studiare l'ippocampo e sottocampi dell'ippocampo in vivo utilizzando comunemente disponibili strumenti MR.

Introduzione

L'ippocampo è una struttura mediale lobo temporale ampiamente studiato che è associato con la memoria episodica, navigazione spaziale, e altre funzioni cognitive ^10,31. Il suo ruolo in malattie neurodegenerative e neuropsichiatrici come del morbo di Alzheimer, la schizofrenia e il disturbo bipolare è ben documentato ^{4,5,18,24,30.} L'obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire ulteriori dettagli al protocollo di segmentazione manuale pubblicato in precedenza per ³⁴ sottocampi di ippocampo umani ad alta risoluzione risonanza magnetica (MR) immagini acquisite a 3T. Inoltre, la componente video che accompagna questo manoscritto fornirà ulteriore assistenza ai ricercatori che desiderano implementare il protocollo sui propri set di dati.

L'ippocampo può essere diviso in sottocampi sulla base delle differenze osservate nei citoarchitettoniche istologicamente preparati post mortem provini ^12,22. Tali esemplari post mortem definiscono il ground verità per l'identificazione e lo studio di sottocampi dell'ippocampo; tuttavia preparazioni di questo tipo richiedono competenze ed attrezzature per la colorazione specializzate, e sono limitati dalla disponibilità di tessuto fissato, soprattutto nelle popolazioni malate. Imaging in vivo ha il vantaggio di un più ampio pool di soggetti, e presenta anche la possibilità di follow gli studi e le modifiche di osservazione nelle popolazioni. Anche se è stato dimostrato che intensità di segnale a ex vivo immagini RM T2-pesate riflettere densità cellulare ^13, è ancora difficile individuare i confini indiscussi tra sottocampi utilizzando esclusivamente intensità di segnale MR. In quanto tale, sono stati sviluppati una serie di approcci diversi per identificare dettagli a livello di istologia sulle immagini RM.

Alcuni gruppi hanno compiuto sforzi per ricostruire e digitalizzare set di dati istologici e poi utilizzare queste ricostruzioni con le tecniche di registrazione di immagini per localizzare dell'ippocampo sottocampo neuroanatomy su in vivo MR ^{1,2,8,9,14,15,17,32.} Anche se questa è una tecnica efficace per mappare una versione della verità terra istologico direttamente sulle immagini RM, le ricostruzioni di questo tipo sono difficili da completare. Progetti come questi sono limitati dalla disponibilità di esemplari intatti mediale del lobo temporale, tecniche istologiche, la perdita di dati durante la lavorazione, istologica e le incongruenze morfologiche fondamentali tra il cervello in vivo fisse e in. Altri gruppi hanno usato gli scanner ad alto campo (7T o 9.4T), nel tentativo di acquisire in vivo o ex vivo con immagini abbastanza piccolo (0,20-,35 mm isotropo) dimensione voxel di visualizzare spazialmente localizzate le differenze di contrasto delle immagini che vengono utilizzate per dedurre confini tra sottocampi ^35,37. Anche a 7T-9.4T e con una piccola dimensione voxel, le caratteristiche citoarchitettoniche dei sottocampi ippocampali non sono visibili. Come tali, sono stati sviluppati protocolli segmentazione manuali che unpproximate noti confini istologici sulle immagini RM. Questi protocolli stabiliscono limiti sottocampo interpretando le differenze di contrasto immagine locali e la definizione regole geometriche (come linee rette e angoli) relativi alle strutture visibili. Anche se le immagini scattate ad una elevata intensità di campo sono in grado di offrire un quadro dettagliato delle sottocampi dell'ippocampo, scanner ad alta campo non sono ancora comuni in ambito clinico o di ricerca, in modo da protocolli 7T e 9.4T attualmente hanno limitato l'applicabilità. Sono stati sviluppati protocolli simili per immagini raccolte su 3T e 4T scanner ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Molti di questi protocolli sono basati su immagini con sub-1mm dimensioni voxel voxel nel piano coronale, ma hanno grandi spessori di fetta (0,8-3 mm) ^{11,20,21,23,25,28,33} o grandi distanze inter-slice ^20,28, entrambi che si traducono in un significativo distorsione di misurazione nella stima dei volumi dei singoli sottocampi. Inoltre, molti dei protocolli esistenti 3Tescludere sottocampi in tutto o in parte della testa o la coda ippocampale ^20,23,25,33 o non forniscono segmentazioni dettagliate delle sottostrutture importanti (ad esempio, combinare il DG con CA2 / CA3 o non includono gli strati radiatum / lacunosum / moleculare di CA) ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Vi è quindi una necessità nel campo per una descrizione dettagliata di un protocollo che può identificare attendibilmente sottocampi pertinenti in tutta la testa, il corpo e la coda dell'ippocampo che si basa su uno scanner comunemente disponibili in ambito clinico e di ricerca. Gli sforzi sono attualmente in corso da parte del Gruppo Sottocampi Hippocampal (www.hippocampalsubfields.com) per armonizzare il processo di segmentazione dell'ippocampo sottocampo tra laboratori, simile a uno sforzo di armonizzazione esistente per tutta la segmentazione dell'ippocampo ^6, e un documento iniziale confrontando 21 protocolli esistenti è stato recentemente pubblicato ³⁸ . Il lavoro di questo gruppo sarà chiarire ulteriormente ottimale proce segmentazionedure.

Questo manoscritto fornisce istruzioni dettagliate video scritte e per attuare il protocollo di segmentazione affidabile sottocampo ippocampale descritto in precedenza da Winterburn e colleghi su ³⁴ immagini ad alta risoluzione 3T MR. Il protocollo è stato implementato su cinque immagini di controlli sani per tutta la ippocampo e cinque sottocampi dell'ippocampo CA1, CA2 (/ CA3, CA4 / giro dentato, strati radiatum / lacunosum / moleculare e subiculum). Queste immagini segmentate sono a disposizione del pubblico online (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Il protocollo e le immagini segmentate saranno utili per i gruppi che desiderano studiare dettagliata neuroanatomia ippocampale in immagini RM.

Protocollo

I partecipanti allo studio

Il protocollo in questo manoscritto è stato sviluppato per cinque immagini rappresentative ad alta risoluzione raccolti da volontari sani (3F, 2M, 29-57 anni, media 37). Che erano liberi di disturbi e casi di grave trauma cranico neurologici e neuropsichiatrici. Tutti i soggetti sono stati reclutati presso il Centro per la Salute Mentale e Dipendenze (CAMH). Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico CAMH Research ed è stato condotto in linea con la Dichiarazione di Helsinki. Tutti i soggetti forniti scritto, consenso informato per l'acquisizione dei dati e la condivisione. Per i dettagli sulla sequenza di acquisizione utilizzato per raccogliere queste immagini, si rimanda al Winterburn et al., 2013 e Parco et al., 2014. ^26,34 Immagini per tutti i cinque soggetti sono stati controllati per la qualità e conservati. L'ippocampo attraversato una media di 118 fette coronali in queste immagini.

1. Software Set-up

1. Aperto Display: Dal terminal utilizzando il seguente comando: display image_name.mnc -label label_name.mnc. Il programma si aprirà 3 finestre: finestre di visualizzazione 3D, immagini 3-orientamento finestra di visualizzazione, e una finestra di navigazione. Il terminale sarà utilizzato anche per eseguire il programma. Ingrandire la visualizzazione coronale, le segmentazioni saranno eseguiti coronale. Zoom sul ippocampo. Selezionare F (Segmentazione) nella finestra di navigazione. Selezionare F (XY Radius: 0,1). La finestra del terminale richiederà all'utente di "Inserire la dimensione del pennello xy:". Impostare 0.1. Questo imposterà la dimensione del pennello. L'utente può iniziare disegno dell'ippocampo sull'immagine MR.

2. Tutta Hippocampus Segmentazione manuale

1. Set-up: Uso di un'immagine T1 pesate, scorrere fino alla fetta antero-più coronale dell'ippocampo. Per avanzare le fette in direzione anteriore, usare il tasto '+'; utilizzare il tasto '-' per muoversi nella direzione posteriori.
2. Sezione A: anteriore-Most Slice: Utilizzando il pulsante destro del mouse del mouse, disegnare il bordo esterno, la maggior parte della materia grigia dell'ippocampo dove si incontra la materia bianca del lobo temporale, che circonda e usare la materia bianca ad alta intensità del alveus per assistere con il bordo superiore, dove l'ippocampo incontra l'amigdala ^12,22. Utilizzare il tasto E (Label Fill) nel menu di segmentazione della finestra di navigazione per riempire l'etichetta all'interno del bordo. Continuare ad applicare questi confini in tutta la testa dell'ippocampo anteriore.
3. Fetta B: ippocampale capo 1 (Figura 1B):
   1. Superior, inferiori, laterali, confini mediale: Continuare a disegnare i bordi come descritto al punto 2.2, utilizzando la sostanza bianca del lobo temporale e alveus come guida.
   2. Border Supero-mediale: Per questo, utilizzando la vista assiale, tracciare una linea orizzontale dal bordo anteriore del dell'ippocampo laterali ^29, e includere qualsiasi cosa, al di sotto di questa linea come ippocampo.NOTA: Il confine supero-mediale diventa più ambigua in queste sezioni, in cui la materia grigia dell'ippocampo si fonde con la materia grigia dell'amigdala.
4. Fetta C: ippocampale Head 2 con Dentations: a seconda del soggetto, i dentations dell'ippocampo possono essere visibili per 3-4 fette (in genere, sono più visibili sul pesata in T2 contro le immagini pesate in T1). In queste fette, continuare a utilizzare la materia bianca del alveus e lobo temporale per guidare confine segmentazione ^12,22. Per ulteriori informazioni, seguire i passaggi 2.5.1-2.5.2.
5. Fetta D: Testa ippocampale 3:
   1. Superior, inferiori, laterali, bordi mediali: disegnare il bordo inferiore dell'ippocampo nella materia bianca del lobo temporale, il bordo laterale al corno inferiore del ventricolo laterale, il bordo superiore, seguendo la curva delle dentations, al sostanza bianca del alveus / fimbria, e il bordo mediale al regio ipointensan della cisterna ambientale ^12,22.
   2. Supero-mediale e confini infero-mediale: continuano a definire il confine supero-mediale come descritto al punto 2.3.2. Disegnare la parte inferiore del bordo mediale in cui l'ippocampo si assottiglia leggermente e si estende nella materia grigia lievemente iperintensa della corteccia entorinale ^12,22.
6. Fetta E: ippocampale Testa 4 con uncus: Continuare a disegnare i confini inferiori, laterali e superiori descritti nei passaggi 2.5.1-2.5.2. Includere il uncus (che si trova medaglia al corpo principale dell'ippocampo ed è circondata da CSF bassa intensità) nella ippocampale segmentazione ^{12,2 2.}
7. Fetta F: ippocampale Corpo: Continuare a disegnare i confini inferiori, laterale, mediale, e superiori descritti nei passaggi 2.5.1-2.5.2. Disegnare il confine infero-mediale nel punto in cui l'ippocampo si assottiglia mentre transita di corteccia entorinale / para-ippocampale giro ^12,22.Non includere il CSF a bassa intensità del solco ippocampale rudimentale nella segmentazione.
8. Fetta G: Coda ippocampale 1: Iniziare segmentare le fette di coda di tipo dell'ippocampo quando i cru del fornice è il primo visibile. Escludere il giro fascicolare (una struttura della materia grigia che si fonde con l'ippocampo in alcune parti della coda dell'ippocampo) dalla segmentazione estrapolando la forma del giro fascicular in coda dell'ippocampo da più sezioni anteriori ^12,22. Questa estrapolazione non è possibile solo per 2-3 fette, dopo di che le due strutture non possono essere accuratamente distinti; a questo punto, trattare tutti materia grigia visibili in quest'area ippocampo.
9. Fetta H: Coda ippocampale 2: Segmento materia grigia a bassa intensità della coda dell'ippocampo posteriore, dalla materia bianca ad alta intensità circostante.
10. Slice I: posteriore-Most Slice: Segmento piccola area rimanente della materia grigia dell'ippocampo dala materia bianca intorno del lobo temporale.

3. ippocampale sottocampo segmentazione manuale

1. Set-up: Uso di un'immagine pesate in T2, scorrere fino alla fetta antero-più coronale dell'ippocampo (come al punto 2.1). Per cambiare il colore del pennello, selezionare D (Set Vernice Lbl :) sul menu segmentazione nella finestra di navigazione. Il terminale di comando chiederà: "Inserire label vernice corrente:". Inserire un numero compreso tra 1 e 255. Ogni numero corrisponde ad un colore un'etichetta diversa.
2. Fetta A: anteriore-Most Slice: Dal momento che le divisioni di sottocampo non sono ancora visibili nel antero-più slice, tracciare una linea che divide la materia visibile ippocampale grigio lungo il suo più lungo l'asse visibile (che non è necessariamente parallela ad uno qualsiasi degli assi cardinali) in due sezioni uguali di approssimare il vero ^12,22 anatomia. Etichettare il superiore di queste due sezioni come CA1 e la sezione inferiore come subiculum da choosing un'etichetta di colore diverso per ogni sottocampo ^23,35.
3. Fetta B: ippocampale Testa 1: Etichettare la zona a bassa intensità nel mezzo della formazione dell'ippocampo come SR / SL / SM ^13,37. Quando la curva lungo il bordo inferiore dell'ippocampo diventa chiaro, utilizzare questo come punto di riferimento il margine laterale che separa il subiculum dal CA1 ^12,22. Continua a seguire l'asse più lungo dell'ippocampo per disegnare il bordo CA1-subiculum sul supero-mediale punta ^37.
4. Fetta C: Testa ippocampale 2 con Dentations:
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Etichettare la SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum come descritto per fetta D (punto 3.5.1).
   2. CA2 / CA3 e CA1: Definire il confine tra CA1 e CA2 / CA3 come linea 45 ° Angolo estende nella direzione supero-laterale dal bordo più supero-laterale del SR / SL / SM ^12,22. Estrarre il CA2 / CA3 medialmente lungo il bordo superiore al trogolo tra dentale ^12,22. Etichettare il resto del bordo superiore come CA1 ^12,22.
5. Fetta D: ippocampale Head 3
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Etichettare la band / SL / SM SR buio prima, che seguirà la curva della CA1 ^37. Etichettare qualsiasi materia grigia ad alta intensità all'interno del SR / SL / SM come CA4 / DG ^{12,22,23,35,37.} Questo non può essere una regione continua, come in Figura 2C. Continuare a definire il confine subiculum-CA1 utilizzando la curva nell'ippocampo inferiori ^12,22.
   2. CA2 / CA3 e CA1: Continuare a definire il CA1 e CA2 confine / CA3 come al punto 3.4.2. Estrarre il CA2 / CA3 medialmente metà lungo il bordo superiore dell'ippocampo ^12,22 ed etichettare l'altra metà del bordo superiore come CA1 ^12,22.
   3. Testa dell'ippocampo supero-mediale: In questa fetta, dividere la testa dell'ippocampo supero-mediale verticalmente a metà. Etichettare il mezzo mediale come SR / SL / ^SM 12. Dividere il lateralemetà in mezzo di nuovo, questa volta in senso orizzontale. Etichettare la parte superiore come CA4 / DG e la parte inferiore come CA2 / CA3 ^12.
6. Fetta E: ippocampale Testa 4 con uncus
   1. Testa dell'ippocampo laterale (subiculum): Nella porzione laterale di queste fette, definisce il confine subiculum-CA1 come una linea verticale che si estende in direzione inferiore dal bordo più mediale del CA4 / DG ^12,22.
   2. Laterale testa ippocampale (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Definire il confine CA1-CA2 / CA3 nello stesso modo come al punto 3.4.2. Continuare per etichettare il SR / SL / SM come regione di bassa intensità seguendo la curva delle regioni CA. Etichettare il CA4 / DG come la cavità centrale all'interno del SR / SL / SM, come al punto 3.5.1.
   3. Uncal testa ippocampale (SR / SL / SM): Etichetta il uncus dell'ippocampo per circa 10 fette come le transizioni testa dell'ippocampo nel corpo ippocampale. Nel uncus, etichettare la regione a bassa intensità al centro come SR / SL / SM (quando questo è difficile da vedere, approssimare l'anatomia segmentando una linea larga 2-3 voxel il centro del uncus) ^12.
   4. Testa dell'ippocampo Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Disegnare una linea sul bordo superiore della / SL sezione SR / SM lungo infero-laterale / supero-mediale asse del uncus. Etichetta tutta la materia grigia sopra di questa linea come CA2 / CA3 ^12. Etichettare qualsiasi materia grigia senza etichetta sotto di questa linea (su entrambi i lati del SR / SL / SM) come CA4 / DG ^12.
7. Fetta F: ippocampale Corpo: Continuare ad applicare i confini descritti nel passaggio 3.6.1-3.6.2.
8. Fetta G: Coda ippocampale 1: Continuare ad applicare le regole descritte nel passaggio 3.6.1-3.6.2. Il confine subiculum-CA1 diventa una linea di 45 ° angolo di estensione in direzione infero-mediale dal bordo mediale del CA4 / DG ^12,22.
9. Fetta H: Coda ippocampale 2: Una volta che il giro fascicolari non possono più essere distinti dal formatio ippocampalen, etichettare l'intero strato esterno come CA1, la zona a bassa intensità all'interno di questo come SR / SL / SM (come in fette precedenti) e ogni materia grigia rimanendo al centro come CA4 / DG ^12,22.
10. Slice I: posteriore-Most Slice: Una volta che il buio SR / SL / SM non è più visibile al centro della formazione dell'ippocampo, etichettare l'intera struttura come CA1 ^12,22.

4. Protocollo Affidabilità

1. Resegment destra oa sinistra ippocampo di ogni soggetto dopo aver atteso circa un mese dal compiere segmentazione originale. Segmento tutti i sottocampi lungo tutta la lunghezza antero-posteriore dell'ippocampo, cercando di seguire le regole di protocollo nel modo più coerente possibile.
2. Calcolare kappa della Dice tra i volumi originali e resegmented:
   
   dove k = Dice di kappa e A e B sono volumi di etichette.

Risultati

. I risultati del test di affidabilità protocollo sono riassunti nella Tabella 2 Per l'intero ippocampo bilaterale, significa sovrapposizione spaziale come misurato dalla kappa di Dice è 0.91 e varia 0,90-0,92. I valori kappa sottocampo vanno da 0,64 (CA2 / CA3) a 0,83 (CA4 / giro dentato). Volumi medi di tutti sottocampi e tutta ippocampo sono riportati in Tabella 3. Volumi per l'intera gamma da ippocampo 2456.72-3325.02 mm ^3. Il C...

Discussione

Segmentazione sottocampo ippocampale di immagini RM è ben rappresentata nella letteratura. Tuttavia, protocolli esistenti escludono parti dell'ippocampo ^20,23,33,35, si applicano solo alle immagini fisse ^37, o richiedono scanner ultra-alto campo per l'acquisizione di immagini ^35,37. Questo manoscritto offre un protocollo di segmentazione comprende cinque suddivisioni principali (CA1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato, SR / SL / SM e subiculum) dell'ippocampo e copre l'intera...

Materiali

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