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要約

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.

要約

ヒト海馬は広くメモリと正常な脳機能との関連で研究されており、異なる神経精神障害におけるその役割は重く研究されています。多くのイメージング研究は、単一の一体型神経解剖学的構造と海馬を扱うが、それは、実際には、複雑な三次元形状を持つ複数のサブフィールドで構成されています。このように、これらのサブフィールドは、特殊な機能を実行し、示差異なる疾患状態の経過を通して影響を受けることが知られています。磁気共鳴（MR）イメージングは​​、海馬およびそのサブフィールドの形態を調べるための強力なツールとして使用することができます。多くのグループが、サブフィールド画像に高度な画像処理ソフトウェアとハ​​ードウェア（> 3T）を使用します。しかし、この種の技術は、ほとんどの研究および臨床イメージングセンターで容易に利用できない場合があります。このニーズに対処するために、この原稿は完全前後長さをセグメント化するための詳細なステップバイステップのプロトコルを提供海馬とそのサブフィールドの：アンモン角（CA）1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回（DG）、地層radiatum / lacunosum / moleculare（SR / SL / SM）、および海馬台。このプロトコルは、5人の被験者（;年齢29から57、平均37。3F、2M）に適用されています。プロトコルの信頼性は、右または各被験者の左海馬のいずれかをresegmentingとダイスのカッパメトリックを使用してオーバーラップを計算することによって評価されます。 5人の被験者全体でサイコロのカッパ（範囲）を意味している：全体の海馬、0.91（0.90から0.92）。 CA1、0.78（0.77から0.79）。 CA2 / CA3、0.64（0.56から0.73）。 CA4 /歯状回、0.83（0.81から0.85）。地層radiatum / lacunosum / moleculare、0.71（0.68から0.73）。および海馬台0.75（0.72から0.78）。ここで紹介するセグメンテーションプロトコルは、一般的に入手可能なMRツールを使用して、in vivoで海馬と海馬のサブフィールドを研究するための信頼性の高い方法で他の研究室を提供します。

概要

海馬はエピソード記憶、空間ナビゲーション、およびその他の認知機能10,31と関連している広く研究されている内側側頭葉構造体です。神経変性およびアルツハイマー病、統合失調症、および双極性障害などの精神神経疾患におけるその役割は十分に文書化4,5,18,24,30です。この原稿の目標は、3Tで取得した高解像度磁気共鳴（MR）画像上のヒト海馬サブフィールドのために、以前に公表された34手動セグメンテーションプロトコルに追加の詳細を提供することを目的とします。また、この原稿を伴うビデオコンポーネントは、独自のデータセットのプロトコルを実装したい研究者へのさらなる支援を提供します。

海馬は、組織学的に調製された死後の試料12,22において観察cytoarchitectonic差に基づいてサブフィールドに分割することができます。このような死後の標本はgrouを定義しますND海馬サブフィールドの同定と研究のための真実。しかし、この種の製剤は、特に病気の集団で、染色のために専門的なスキルや機器を必要とし、固定された組織の利用可能性によって制限されている。in vivoイメージングは、被験者のはるかに大きなプールの利点があり、また、フォローのための機会を提供します研究アップや集団の変化を観察します。それはT2強調元に、その信号強度を示したが、インビボ MR画像は細胞密度13を反映し 、それは、単にMR信号強度を用いて、サブフィールドの間に明白な境界を識別することは困難です。このように、MR画像に組織学レベルの詳細を特定するための多くの異なるアプローチが開発されています。

いくつかのグループには、組織学的データセットを再構築し、デジタル化する努力をした後、海馬サブフィールドneuroanatをローカライズするために画像レジストレーション技術と一緒に、これらの再構成を使用していますin vivoでのMR 1,2,8,9,14,15,17,32の大丸有。これはMR画像上に直接組織学的グランドトゥルースのバージョンをマッピングするための有効な手法であるが、この種の再構成が完了するのは困難です。このようなプロジェクトは、完全な内側側頭葉標本、組織学的技術、組織学的処理中のデータ損失、および固定されており、in vivoでの脳の間の基本的な形態学的矛盾の利用可能性によって制限されています。他のグループはに ​​使用されている画像のコントラストの空間的に局所的な違いを視覚化するために、生体内で取得するための努力で高磁場スキャナー（7Tまたは9.4T）を使用するか、または十分に小さい（0.20〜0.35ミリメートル等方性）ボクセルサイズとex vivoで画像をしていますサブフィールド35,37間の境界を推測します。でも7T-9.4Tであり、小ボクセルサイズで、海馬のサブフィールドのcytoarchitectonic特性は表示されません。このように、手動セグメンテーションプロトコルが開発されていますMR画像上の既知の組織学的境界をpproximate。これらのプロトコルは、局所的な画像コントラスト差を解釈し、可視構造に比べて（例えば、直線や角度など）、幾何学的ルールを定義することで、サブフィールドの境界を決定します。高電界強度で撮影された画像は、海馬のサブフィールドに詳細な洞察を提供することができますが、7Tと9.4Tのプロトコルが現在適用が限られているので、高磁場スキャナは、まだ臨床又は研究の設定では一般的ではありません。同様のプロトコルは、3Tと4Tスキャナ11,20,21,23,24,25,28,33に収集した画像のために開発されています。これらのプロトコルの多くは、前頭面におけるサブ1ミリメートルのボクセルのボクセルの大きさの画像に基づいていますが、大きなスライス厚（0.8〜3ミリメートル）11,20,21,23,25,28,33または大スライス間の距離を持っています個々のサブフィールドのボリュームの推定において重要な測定バイアスの結果、どちらも20,28、。さらに、既存の3Tプロトコルの多く海馬頭や尾20,23,25,33の全部または一部のサブフィールドを除外したり、重要な部分構造（ すなわち、CA2 / CA3とDGを組み合わせたり、地層radiatum / lacunosum / moleculareのを含んでいないの詳細なセグメンテーションを提供していませんCA）11,20,21,23,24,25,28,33。確実に臨床と研究の設定で一般的に利用可能なスキャナに基づいている海馬の頭部、胴体、尾部全体に関連するサブフィールドを識別することができ、プロトコルの詳細な説明のための分野で必要とされています。努力が全体の海馬セグメンテーション6のための既存の調和の努力に類似の研究室との間の海馬サブフィールド分割処理を調和させるために、海馬サブフィールドグループ（www.hippocampalsubfields.com）によって現在進行中であり、21既存のプロトコルを比較する最初の論文は、最近38を発表しました。 。このグループからの作業は、さらに最適なセグメンテーションproceを解明しますジャ。

この原稿は、確実に高解像度3T MR画像上Winterburnや同僚34で先に説明した海馬サブフィールド分割プロトコルを実装するための詳細なとビデオ手順を説明します。プロトコルは、全体の海馬のための健康な対照の5つの画像と5海馬のサブフィールド（CA1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回、地層radiatum / lacunosum / moleculare、および海馬台）の上に実装されています。これらのセグメント化された画像は、一般に公開されているオンライン（cobralab.ca/atlases/Hippocampus）にご利用いただけます。プロトコルおよびセグメント化された画像は、MR画像で詳細な海馬の神経解剖学を勉強したいグループのために有用であろう。

プロトコル

研究参加者

神経学的および神経精神障害と重度の頭部外傷の例がなかった。（年齢29から57、平均37。3F、2M）この原稿内のプロトコルは、健康なボランティアから集めた5代表高解像度画像のために開発されました。すべての被験者は、中毒や精神保健センター（CAMH）で募集しました。研究では、CAMH研究倫理委員会によって承認され、ヘルシンキ宣言に合わせて実施しました。すべての被験者は、データ収集と共有のための書面によるインフォームドコンセントを提供しました。これらの画像を収集するために使用される取得シーケンスの詳細については、Winterburn ら 、2013年パークがら 、すべての5人の被験者のために2014年26,34画像は品質をチェックし、保持されたを参照してください。海馬は、これらの画像には118冠状スライスの平均を張ります。

1.ソフトウェアのセットアップ

  1. オープンディスプレイ： ターミナルから次のコマンドを使用して：image_name.mnc -label label_name.mncを表示します。ウィンドウを表示する3次元可視化ウィンドウ、3方向画像、およびナビゲーションウィンドウ：プログラムは、3のウィンドウを開きます。端末はまた、プログラムを実行するために使用されます。セグメンテーションは、冠状に実行されるように、冠状ビューを拡大します。海馬にズームイン。ナビゲーションウィンドウで、F（セグメント化）を選択します。 F（：0.1 XY半径）を選択します。ターミナルウィンドウは、「XYブラシのサイズを入力してください： "するためにユーザーの入力を要求され​​ます。 0.1に設定します。これはあなたの絵筆のサイズを設定します。ユーザーは現在、MR画像上に海馬を描画を開始することができます。

2.全体の海馬マニュアルセグメンテーション

  1. セットアップ：T1強調画像を用いて、海馬の最前方冠状スライスにスクロールします。前方方向にスライスを進めるためには、「+」キーを使用します。使用 'を' - 後方方向に移動するキー。
  2. スライスA：最も前方のスライス：それは周囲の側頭葉白質を満たし、白板の高輝度白質を使用する海馬の灰白質の最も外側の境界線を描き、マウスの右クリックを使用して海馬は、扁桃体12,22を満たし 、優れたボーダー、を支援します。国境内側のラベルに記入するには、ナビゲーションウィンドウのセグメンテーションメニューでE（ラベル塗りつぶし）キーを使用します。前方海馬ヘッド全体でこれらの罫線を適用し続けます。
  3. スライスB：海馬ヘッド1（図1B）。
    1. 優れた、劣った、横方向、内側の境界線が：ステップ2.2で説明したようにガイドとして側頭葉や白板の白質を使用して、境界線を描画し続けます。
    2. Supero-内側縁：このためには、軸方向のビューを使用して、横方向の海馬29の前縁から水平線を引き、および海馬のように、この行の下に何が含まれています。注：supero-内側縁は、海馬の灰白質が扁桃体の灰白質とのブレンドこれらのスライス、中より曖昧になります。
  4. スライスC：Dentationsと海馬ヘッド2：対象に応じて、海馬のdentations 3-4スライスのために見ることができる（一般的に、彼らはT2強調T1強調画像対の詳細表示されます）。これらのスライスでは、境界セグメンテーション12,22を案内するために白板と側頭葉の白質を使用し続けます。詳細については、手順に従ってください2.5.1-2.5.2。
  5. スライスD：海馬ヘッド3：
    1. 優れた、劣った、横方向、内側の境界線は：で、dentationsの曲線以下、側頭葉、側脳室、上縁の下角における横ボーダーの白質で海馬の下縁を描きます白板/采の白質、および低強度のレジオで内側縁周囲槽12,22のn個。
    2. Supero-内側とinfero-内側の境界線：ステップ2.3.2で説明したようにsupero-内側縁を定義するために続けます。海馬は若干薄くし、嗅内皮質12,22の軽度高信号灰白質内に延びる内側縁の劣る部分を描画します。
  6. スライスE：海馬鉤と海馬ヘッド4：ステップで説明する、劣っ横、優れた境界線を描画し続け2.5.1-2.5.2。海馬セグメンテーション12,2 2（海馬の本体にメダルを位置しており、低強度のCSFに囲まれている）海馬鉤を含めます。
  7. スライスF：海馬ボディ：2.5.1-2.5.2の手順で説明する、劣っ横、中央、および優れた境界線を描画し続けます。それは嗅内皮質/パラ海馬回12,22に遷移として海馬が薄くなる時点でinfero-内側境界線を描画します。セグメンテーションにおける痕跡海馬溝の低強度のCSFを含めないでください。
  8. スライスG：海馬尾1：円蓋の下腿が最初に表示されているときに、海馬テール型のスライスをセグメント化を開始します。より前方のスライス12,22から海馬尾に束状回の形状を外挿することにより、セグメンテーションから束状脳回（海馬尾の部分では、海馬とのブレンドの灰白質構造）を除外します。この外挿は、二つの構造を正確に識別することができない後2-3スライス、のためにのみ可能です。この時点では、海馬このエリアに表示されているすべての灰白質を扱います。
  9. スライスH：海馬尾2：セグメント周囲の高輝度白質から後部海馬尾の低強度灰白質。
  10. スライスI：後部-ほとんどのスライス：セグメント海馬の灰白質の小さな残りの領域から側頭葉の周囲白質。

3.海馬サブフィールドマニュアルセグメンテーション

  1. セットアップ：T2強調画像を用いて、（ステップ2.1のように）海馬の最前方冠状スライスにスクロールします。絵筆の色を変更するには、[D（セットは、ナビゲーションウィンドウ内のセグメント化メニューで:) LBLをペイントします。 「現在のペイントのラベルを入力してください： "コマンド端子は、プロンプトが表示されます。 1〜255の番号を入力します。各番号は異なるラベルの色に対応しています。
  2. スライスA：最も前方のスライス：サブフィールドの分割は、最も前方のスライス内ではまだ表示されていないので、に（必ずしも枢機卿軸のいずれかに平行でない）、その最長の可視軸に沿って表示さ海馬の灰白質を分割線を引きます2等分真の解剖学12,22を近似します 。 CA1とchoosiによって海馬台として劣っセクションように、これらの2つのセクションの優れたラベルを付けます各サブフィールド23,35のために、異なる色のラベルをngの。
  3. スライスB：海馬ヘッド1：SR / SL / SM 13,37として海馬体の中央に低強度領域にラベルを付けます。海馬の下縁に沿って曲がりが明確になると、CA1 12,22から海馬台を分離する横方向の境界線として、このランドマークを使用しています。 supero-内側先端37にCA1-鉤状回の境界線を描画する海馬の最長軸に従うことを続行します。
  4. スライスC：Dentationsと海馬ヘッド2：
    1. SR / SL / SM、CA4 / DG、及び鉤状回：スライスD（ステップ3.5.1）で説明したように、SR / SL / SM、CA4 / DG、および海馬台にラベルを付けます。
    2. CA2 / CA3とCA1：SR / SL / SM 12,22の最もsupero-側縁からsupero横方向に延びる45°の角度ラインとしてCA1およびCA2 / CA3との間の境界を定義します。 denta間の谷に優れたエッジに沿って内側にCA2 / CA3を拡張ン12,22。 CA1 12,22として優れたエッジの残りの部分にラベルを付けます。
  5. スライスD：海馬ヘッド3
    1. SR / SL / SM、CA4 / DG、及び鉤状回：CA1 37の曲線に従います。これは、最初の暗いSR / SL / SMバンドにラベルを付けます。 CA4 / DG 12,22,23,35,37としてSR / SL / SMの内部の高強度の灰白質にラベルを付けます。 これは、図2Cのように、連続した領域ではないかもしれません。劣っ海馬12,22ベンドを使用して、鉤状回、CA1の境界線を定義するために続けます。
    2. CA2 / CA3とCA1：ステップ3.4.2のようにCA1およびCA2 / CA3の境界線を定義するために続けます。海馬12,22の優れたエッジに沿って内側に途中CA2 / CA3を拡張し、CA1 12,22として優れたエッジの残りの半分にラベルを付けます。
    3. Supero-内側海馬ヘッド：このスライスでは、半分に縦にsupero-内側海馬の頭を分割します。 SR / SL / SM 12として内側半分にラベルを付けます。横を分割再び半分に半分、水平この時間。 CA2 / CA3 12として CA4 / DGとして優れた部分と下の部分にラベルを付けます。
  6. スライスE：海馬鉤と海馬ヘッド4
    1. 横海馬ヘッド（海馬台）：これらのスライスの側部には、/ DG 12,22 CA4の最も内側の端から劣る方向に延びる垂直線として鉤状回-CA1の境界線を定義します。
    2. 横海馬ヘッド（CA1、CA2 / CA3、CA4 / DG、SR / SL / SM）：ステップ3.4.2と同様に、CA1-CA2 / CA3の境界線を定義します。 CA領域の曲線以下の低強度領域としてSR / SL / SMにラベルを付け続けます。ステップ3.5.1のように、SR / SL / SM内部の中央空洞としてCA4 / DGにラベルを付けます。
    3. UNCAL海馬ヘッド（SR / SL / SM）：海馬体内に海馬ヘッド遷移として約10スライスについて海馬の海馬鉤にラベルを付けます。海馬鉤では、SR / SL / SM（のように中央に低い強度領域にラベルを付けますこれは参照することが困難な場合、海馬鉤の中心）12まで2-3ボクセル幅の線を分割して、解剖学的構造に近似しています。
    4. UNCAL海馬ヘッド（CA2 / CA3、CA4 / DG）：海馬鉤のinfero横/ supero-中間軸に沿って、SR / SL / SMセクションの優れたエッジに線を引きます。 CA2 / CA3 12として、この線より上のすべての灰白質にラベルを付けます。 CA4 / DG 12として （SR / SL / SMの両側に）この線より下のラベルが付いていない灰白質にラベルを付けます。
  7. スライスF：海馬ボディ：ステップ3.6.1-3.6.2で説明した罫線を適用し続けます。
  8. スライスG：海馬尾1：ステップ3.6.1-3.6.2で説明したルールを適用し続けます。海馬台-CA1の境界線がCA4 / DG 12,22の内側縁からinfero-内側方向に延びる45°の角度ラインになります。
  9. スライスH：海馬尾2：束状脳回は、もはや海馬構成体と区別することはできませんしたらnは、CA4 / DG 12,22として途中でSR / SL（以前のスライスのように）/ SMとしての内側CA1、低強度領域として全体外層にラベルを付け、残りの灰白質。
  10. スライスI：後部-ほとんどのスライス：ダークSR / SLたら/ SMはCA1 12,22として全体の構造をラベル、海馬体の中央には表示されなくなります。

4.プロトコルの信頼性

  1. オリジナルのセグメント化を行うから約1ヶ月待った後、各被験者の右または左海馬のいずれかをResegment。セグメントとして一貫して可能であるとして、プロトコルルールに従うことをしようと海馬の全体前後長さに沿ったサブフィールドのすべて、。
  2. オリジナルとresegmentedボリューム間ダイスのカッパを計算します。
    figure-protocol-6222
    K =サイコロのカッパおよびAとBは、ラベルのボリュームである場合。

結果

。プロトコルの信頼性試験の結果を表2に要約されている全体のバイラテラル海馬は、ダイスのカッパによって測定された平均の空間的オーバーラップが0.91であり、0.90の範囲である- 0.92。サブフィールドのカッパ値は0.64（CA2 / CA3）から0.83（CA4 /歯状回）の範囲にあります。全てのサブフィールドと全体の海馬の平均容積を表3に報告されて?...

ディスカッション

MR画像における海馬サブフィールドの分割は、文献によく表現されています。しかし、既存のプロトコルは、海馬20,23,33,35の一部を除外し、定着画像37にのみ適用され、または画像収集35,37のための超高磁場スキャナーが必要です。この原稿は、海馬には5つの主要な下位区分（CA1、CA2 / CA3、CA4 /歯状回、SR / SL / SM、および海馬台）を含み、構造の全体の前後長さにまた?...

開示事項

The authors have no conflicts of interest to declare.

謝辞

著者は、CAMH財団からの支援を確認するためにマイケルとソーニャケルナー、Kimel家族、そしてポール・E.ガーフィンケル新しい研究者のCatalyst賞のおかげたいと思います。このプロジェクトは、フォン・ド・Recherchesサンテケベック、カナダ衛生研究所（CIHR）、自然科学とカナダ、ウェストン脳研究所、カナダのアルツハイマー病協会の工学研究評議会、そしてマイケルJ・フォックス財団によって資金を供給されましたパーキンソン研究（MMC）のためだけでなく、CIHR、オンタリオメンタルヘルス財団、NARSAD、および国立精神衛生研究所（R01MH099167）（ANV）。著者らはまた、画像を取得支援のためanushaにRavichandranに感謝したいと思います。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Discovery MR750 3TGEOr equivalent 3T scanner
Minc Tool KitMcConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological InstituteOpen source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit

参考文献

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