Alta resolução<em&gt; In Vivo</em&gt; Manual Protocolo Segmentação para hipocampo humano subcampos Utilizando Ressonância Magnética 3T

Resumo

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.

Resumo

O hipocampo humano tem sido muito estudada no contexto da memória e função normal do cérebro e seu papel em diferentes transtornos neuropsiquiátricos tem sido fortemente estudado. Embora muitos estudos de imagiologia tratar o hipocampo como uma única estrutura neuroanatômico unitária, isto é, de facto, constituído por vários sub-campos que têm uma geometria tridimensional complexa. Como tal, é sabido que estes subcampos executar funções especializadas e são diferencialmente afectada através do curso de diferentes estados de doença. A ressonância magnética (RM) pode ser usado como uma ferramenta poderosa para interrogar a morfologia do hipocampo e seus subcampos. Muitos grupos utilizam software avançado de imagem e hardware (> 3T) para a imagem dos subcampos; no entanto, este tipo de tecnologia pode não estar prontamente disponível na maioria dos centros de pesquisa clínica e de imagem. Para endereçar esta necessidade, neste manuscrito fornece um protocolo passo-a-passo detalhado para segmentar o comprimento ântero-posterior completado hipocampo e seus subcampos: cornu Ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / giro denteado (DG), estratos radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), e subiculum. Este protocolo foi aplicado a cinco sujeitos (3F, 2M; 29-57 anos, Média 37.). Protocolo confiabilidade é avaliada por resegmenting direito ou hipocampo esquerdo de cada sujeito e de informática a sobreposição usando métrica kappa da Dice. Kappa de Dados (intervalo) significa entre os cinco temas são: toda hipocampo, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0,64 (0,56-0,73); CA4 / giro denteado, 0,83 (0,81-0,85); estratos radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); subiculum e 0,75 (0,72-0,78). O protocolo de segmentação aqui apresentado fornece outros laboratórios com um método confiável para estudar os hipocampo e subcampos do hipocampo in vivo utilizando ferramentas de RM comumente disponíveis.

Introdução

O hipocampo é uma estrutura do lobo temporal medial amplamente estudado que está associada com a memória episódica, navegação espacial, e outras funções cognitivas ^10,31. O seu papel em desordens neurodegenerativas e neuropsiquiátricos tais como doença de Alzheimer, esquizofrenia, transtorno bipolar e é bem documentada ^{4,5,18,24,30.} O objetivo deste artigo é para fornecer detalhes adicionais ao protocolo de segmentação manual publicado anteriormente para ³⁴ subcampos hipocampo humano em imagens de alta resolução ressonância magnética (RM) adquiridas em 3T. Além disso, o componente de vídeo que acompanha este manuscrito irá fornecer mais assistência a pesquisadores que desejem implementar o protocolo sobre os seus próprios conjuntos de dados.

O hipocampo pode ser dividido em subcampos com base nas diferenças observadas na citoarquitetônicos histologicamente preparados post mortem espécimes ^12,22. Tais amostras post mortem definir o ground verdade para a identificação e estudo dos subcampos do hipocampo; No entanto preparações desta natureza exigem aptidões e equipamento especializado para a coloração, e são limitados pela disponibilidade de tecido fixo, especialmente em populações de doentes. imagiologia in vivo tem a vantagem de um grupo muito maior de indivíduos, e também apresenta a oportunidade para acompanhamento -se estudos e mudanças de observação nas populações. Embora tenha sido demonstrado que as intensidades de sinal em imagens de RM ex vivo T2-ponderado refletir densidade celular ^13, ainda é difícil identificar fronteiras incontestáveis ​​entre subcampos usando apenas intensidades de sinal de RM. Como tal, foram desenvolvidas uma série de abordagens diferentes para a identificação de detalhes ao nível de histologia em imagens de RM.

Alguns grupos têm feito esforços para reconstruir e digitalizar conjuntos de dados histológicos e, em seguida, usar essas reconstruções, juntamente com técnicas de registro de imagem para localizar hipocampo neuroanat subcampoomy on in vivo MR ^{1,2,8,9,14,15,17,32.} Embora esta seja uma técnica eficaz para o mapeamento de uma versão da verdade chão histológico diretamente em imagens de RM, reconstruções dessa natureza são difíceis de concluir. Projetos como estes são limitados pela disponibilidade de amostras intactas medial do lobo temporal, as técnicas histológicas, a perda de dados durante o processamento histológico e as inconsistências morfológicas fundamentais entre cérebros vivo fixos e em. Outros grupos usaram scanners de alto campo (7T ou 9.4T), em um esforço para adquirir in vivo ou ex vivo imagens com uma pequena o suficiente (0,20-0,35 mm isotrópico) tamanho do voxel de visualizar espacialmente localizada diferenças de contraste de imagem que são usados ​​para inferir limites entre subcampos ^35,37. Mesmo em 7T-9.4T e com tal um pequeno tamanho do voxel, as características citoarquitetônicos de subcampos hipocampo não são visíveis. Como tal, os protocolos de segmentação manual têm sido desenvolvidos que umpproximate os limites histológicos conhecidos sobre imagens de RM. Estes protocolos determinam limites de subcampos por interpretar diferenças de contraste de imagem locais e definição de regras geométricas (tais como linhas retas e ângulos) em relação a estruturas visíveis. Embora as imagens tiradas com uma intensidade de campo alta são capazes de oferecer uma visão detalhada sobre subcampos hipocampo, scanners de alto campo ainda não são comuns em ambientes clínicos ou de pesquisa, por isso protocolos 7T e 9.4T atualmente têm aplicabilidade limitada. Protocolos semelhantes foram desenvolvidas para imagens recolhidas no 3T e 4T scanners ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Muitos destes protocolos são baseados em imagens com dimensões voxels voxel sub-1mm no plano coronal, mas têm grandes espessuras de corte (0,8-3 mm) ^{11,20,21,23,25,28,33} ou grandes distâncias inter-slice ^20,28, ambos os quais resultam em um erro de medição significativo na estimativa dos volumes dos subcampos individuais. Além disso, muitos dos protocolos existentes 3Texcluir subcampos em todo ou parte da cabeça ou cauda do hipocampo ^20,23,25,33 ou não fornecer segmentações detalhadas de subestruturas importantes (ou seja, combinar o DG com CA2 / CA3 ou não incluem os estratos radiatum / lacunosum / moleculare de CA) ^{11,20,21,23,24,25,28,33.} Existe portanto uma necessidade na área para uma descrição detalhada de um protocolo que pode identificar com segurança subcampos relevantes ao longo da cabeça, do corpo e cauda do hipocampo que se baseia em um scanner comumente disponível em ambientes clínicos e de investigação. Esforços estão em andamento pela subcampos Grupo Hippocampal (www.hippocampalsubfields.com) harmonizar o processo de segmentação do hipocampo subcampo entre laboratórios, semelhante a um esforço de harmonização existente para a segmentação do hipocampo inteiro ^6, e um papel inicial comparando 21 protocolos existentes foi publicado recentemente ³⁸ . O trabalho deste grupo irá elucidar proce segmentação idealmentos.

Este manuscrito fornece instruções escritas e de vídeo de execução de forma confiável o protocolo de segmentação subcampo hipocampal descrito anteriormente por Winterburn e colegas ³⁴ em imagens de alta resolução 3T MR. O protocolo foi implementado em cinco imagens de controles saudáveis ​​para toda a hipocampo e cinco subcampos CA1 do hipocampo (, CA2 / CA3, CA4 / giro dentado, estratos radiatum / lacunosum / moleculare, e subiculum). Estas imagens segmentadas estão disponíveis ao público em linha (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). O protocolo e as imagens segmentadas será útil para grupos que desejam estudar neuroanatomia do hipocampo detalhada em imagens de RM.

Protocolo

Os participantes do estudo

O protocolo neste manuscrito foi desenvolvido para cinco imagens representativas de alta resolução coletadas de voluntários saudáveis ​​(3F, 2M; 29-57 anos, 37 avg.) Que estavam livres de doenças neurológicas e neuropsiquiátricas e os casos de traumatismo craniano grave. Todos os indivíduos foram recrutados no Centro de Dependência e Saúde Mental (CAMH). O estudo foi aprovado pelo Conselho de Ética em Pesquisa CAMH e foi realizado em conformidade com a Declaração de Helsinki. Todos os indivíduos forneceram escrito, o consentimento informado para aquisição de dados e de partilha. Para obter detalhes sobre a sequência de aquisição utilizado para recolher estas imagens, consulte Winterburn et al., 2013 e Park et al., 2014. ^26,34 Imagens para todos os cinco indivíduos foram verificados quanto à qualidade e mantida. O hipocampo durou uma média de 118 cortes coronais nestas imagens.

1. Software Set-up

1. Abra Display: A partir do terminal usando o seguinte comando: Indicação image_name.mnc -label label_name.mnc. O programa será aberto 3 janelas: imagem 3-orientação da janela de visualização 3D, janela de visualização, e uma janela de navegação. O terminal também será usada para executar o programa. Ampliar a visão coronal, como as segmentações será realizada coronalmente. Zoom sobre o hipocampo. Selecione F (Segmentação) na janela de navegação. Selecione F (XY Radius: 0,1). A janela de terminal irá pedir para o usuário "Enter tamanho xy escova:". Situado a 0,1. Isto irá definir o tamanho do seu pincel. O usuário pode agora começar a desenhar o hipocampo na imagem MR.

2. Whole Hippocampus manual Segmentação

1. Set-up: Usando uma imagem ponderada em T1, vá até a fatia anterior-mais coronal do hipocampo. Para avançar fatias na direcção anterior, use a tecla '+'; use a tecla - para se mover na direção posterior ''.
2. Fatia A: Anterior-Most Slice: Usando o botão direito do mouse sobre o mouse, desenhar a borda mais externa da matéria cinzenta no hipocampo, onde se encontra com a substância branca do lobo temporal circundante e usar a substância branca de alta intensidade do alveus Para apoiar a borda superior, em que o hipocampo encontra a amígdala ^12,22. Use a tecla E (Etiqueta de preenchimento) no menu de segmentação da janela de navegação para preencher a etiqueta dentro da fronteira. Continuar a aplicar essas fronteiras em toda a cabeça do hipocampo anterior.
3. Fatia B: Hippocampal Cabeça 1 (Figura 1B):
   1. Superior, inferior, lateral, medial fronteiras: Continue a desenhar as fronteiras como descrito no passo 2.2, utilizando a substância branca do lobo temporal e alveus como um guia.
   2. Border supero-medial: Para isso, utilizando a vista axial, desenhe uma linha horizontal a partir da borda anterior do hipocampo lateral, ^{29, e} incluir qualquer coisa abaixo dessa linha como hipocampo.NOTA: A fronteira supero-medial se torna mais ambíguo nessas fatias, onde a matéria cinzenta do hipocampo se mistura com a matéria cinzenta da amígdala.
4. Fatia C: Hippocampal Head 2 com dentições: Dependendo do tema, as dentições do hipocampo pode ser visível por 3-4 fatias (normalmente, eles são mais visíveis em relação imagens T1-ponderadas em T2). Nestes fatias, continuar a utilizar a substância branca do alveus e lobo temporal para orientar fronteira segmentação ^12,22. Para mais detalhes, siga os passos 2.5.1-2.5.2.
5. Fatia D: Cabeça Hippocampal 3:
   1. Superiores, inferiores, laterais, bordas mediais: Desenhar a borda inferior do hipocampo na substância branca do lobo temporal, a borda lateral no corno inferior do ventrículo lateral, a borda superior, seguindo a curva das dentições, no substância branca do alveus / fímbria, ea fronteira medial na regio hipointenson da cisterna ambiente ^12,22.
   2. Supero-medial e fronteiras ínfero-medial: Continuar a definir a fronteira supero-medial, como descrito no passo 2.3.2. Desenhe a parte inferior da borda medial onde o hipocampo dilui um pouco e se estende até a massa cinzenta levemente hiperintenso do córtex entorrinal ^12,22.
6. Fatia E: Hippocampal Head 4 com uncus: Continue a desenhar as bordas inferiores, laterais e superiores descritas nos passos 2.5.1-2.5.2. Incluir o unco (que está localizado medalha para o corpo principal do hipocampo e está rodeado por uma baixa intensidade-CSF) no hipocampo segmentação ^{12,2 2.}
7. Fatia F: Hippocampal Corpo: Continue a desenhar as bordas inferiores, laterais, medial e superiores descritas nos passos 2.5.1-2.5.2. Desenhar a borda ínfero-medial no ponto onde o hipocampo dilui como que ele passa para o córtex entorrinal / para-hipocampal giro ^12,22.Não inclua o CSF ​​baixa intensidade do sulco hipocampal vestigial na segmentação.
8. Fatia G: Cauda Hippocampal 1: comece segmentando fatias do tipo cauda do hipocampo quando a crus da fornix é primeiro visível. Excluir giro fascicular (uma estrutura de matéria cinzenta que se mistura com o hipocampo em partes da cauda do hipocampo) a partir da segmentação por extrapolação a forma do giro fascicular na cauda do hipocampo a partir de mais fatias anteriores ^12,22. Esta extrapolação não é possível apenas por 2-3 fatias, após o que as duas estruturas não podem ser distinguidos com precisão; Neste ponto, toda a matéria cinzenta tratar visível nesta área como hipocampo.
9. Fatia H: Cauda Hippocampal 2: Segmento da substância cinzenta de baixa intensidade da cauda do hipocampo posterior da substância branca de alta intensidade circundante.
10. Fatia I: Posterior-Most Slice: Segmento pequena área remanescente de substância cinzenta no hipocampo dea substância branca torno do lóbulo temporal.

3. Hippocampal Subfield manual Segmentação

1. Set-up: Usando uma imagem ponderada em T2, vá até a fatia anterior-mais coronal do hipocampo (como no passo 2.1). Para mudar a cor do pincel, selecione D (Set Pintura Lbl :) no menu segmentação na janela de navegação. O terminal de comando irá pedir: "Entre etiqueta pintura atual:". Digite um número entre 1 e 255. Cada número corresponde a uma cor rótulo diferente.
2. Fatia A: Anterior-Most Slice: Desde divisões subcampo não são ainda visíveis na anterior-maior fatia, desenhe uma linha dividindo a matéria visível do hipocampo cinza ao longo do seu eixo visível mais longo (que não é necessariamente paralelo com qualquer dos eixos cardinais) em duas secções iguais para aproximar a verdadeira ^12,22 anatomia. Rotular o superior dessas duas seções como CA1 ea seção inferior como subiculum por choosing uma etiqueta de cor diferente para cada subcampo ^23,35.
3. Fatia B: Hippocampal Cabeça 1: Identifique a área de baixa intensidade no meio da formação do hipocampo como SR / SL / SM ^13,37. Quando a curva ao longo da borda inferior do hipocampo se torna claro, usar esse marco como a borda lateral separando o subiculum do CA1 ^12,22. Continue a seguir o eixo mais longo do hipocampo para desenhar a borda CA1-subiculum na ponta supero-medial ^37.
4. Fatia C: Cabeça Hippocampal 2 com dentições:
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Rotular o SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum como descrito para a fatia D (passo 3.5.1).
   2. CA2 / CA3 e CA1: definir a fronteira entre CA1 e CA2 / CA3 como uma linha de ângulo de 45º se estende na direcção do supero-lateral a partir da extremidade mais súpero-lateral do SR / SL / SM ^12,22. Estender a CA2 / CA3 medial ao longo da borda superior à calha entre a dentações ^12,22. Rotular o resto da borda superior como CA1 ^12,22.
5. Fatia D: Hippocampal Head 3
   1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Rotular a banda / SL / SM SR escuro primeira, que vai seguir a curva do CA1 ^37. Rotular qualquer matéria cinzenta de alta intensidade dentro do SR / SL / SM como CA4 / DG ^{12,22,23,35,37.} Isto pode não ser uma região contínua, como na Figura 2C. Continuar a definir a fronteira subiculum-CA1 usando a curva no hipocampo inferiores ^12,22.
   2. CA2 / CA3 e CA1: Continuar a definir o CA1 e CA2 / CA3 fronteira como no passo 3.4.2. Estender a CA2 / CA3 medially a meio caminho ao longo da borda superior do hipocampo ^12,22 e rotular a outra metade da borda superior como CA1 ^12,22.
   3. Cabeça do hipocampo supero-medial: Neste fatia, dividir a cabeça do hipocampo supero-medial verticalmente pela metade. Rotular a metade medial como SR / SL / SM ^12. Divida lateralmeia em meia novamente, desta vez na horizontal. Rotular a parte superior como CA4 / DG ea parte inferior como CA2 / CA3 ^12.
6. Fatia E: Hippocampal Head 4 com uncus
   1. Cabeça lateral do hipocampo (subículo): na porção lateral destas fatias, definir a fronteira subículo-CA1 como uma linha vertical que se estende na direcção inferior da borda mais medial do CA4 / DG ^12,22.
   2. Cabeça lateral do hipocampo (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Definir a fronteira CA1-CA2 / CA3 do mesmo modo como no passo 3.4.2. Continue a rotular o SR / SL / SM como a região de baixa intensidade após a curva das regiões CA. Rotular o CA4 / DG como a cavidade centro dentro do SR / SL / SM, como no passo 3.5.1.
   3. Cabeça do hipocampo Uncal (SR / SL / SM): Rotular o uncus do hipocampo durante cerca de 10 fatias como as transições de cabeça do hipocampo no corpo do hipocampo. No uncus, rotular a região de baixa intensidade no centro, como SR / SL / SM (quando este é difícil de ver, aproximar a anatomia segmentando uma linha de 2-3 voxels-se largamente acima do centro da uncus) ^12.
   4. Cabeça do hipocampo Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Desenhar uma linha na extremidade superior da secção SR / SL / SM junto infero-lateral / eixo supero-medial do uncus. Rotular toda a matéria cinzenta acima desta linha como CA2 / CA3 ^12. Rotular qualquer matéria cinzenta não marcado abaixo dessa linha (de cada lado da SR / SL / SM) como CA4 / DG ^12.
7. Fatia F: Hippocampal Corpo: Continuar a aplicar os limites descritos na etapa 3.6.1-3.6.2.
8. Fatia G: Cauda Hippocampal 1: Continuar a aplicar as regras descritas na etapa 3.6.1-3.6.2. A fronteira subículo-CA1 torna-se um ângulo de 45º linha que se estende na direcção infero-medial do bordo medial do CA4 / DG ^12,22.
9. Fatia H: Cauda Hippocampal 2: Uma vez que o giro fasciculares já não pode ser distinguido do formatio hipocampoN, rotular toda a camada exterior como CA1, a área de baixa intensidade dentro desta como SR / SL / SM (como em fatias anteriores), e qualquer matéria cinzenta remanescente no meio como CA4 / DG ^12,22.
10. Fatia I: Posterior-maioria Fatia: Uma vez que o escuro SR / SL / SM não é mais visível no centro da formação do hipocampo, rotular toda a estrutura como CA1 ^12,22.

4. Protocolo de Confiabilidade

1. Resegmentar direito ou hipocampo deixou de cada sujeito, depois de esperar cerca de um mês de realizar a segmentação inicial. Segmento todos os subcampos ao longo de todo o comprimento ântero-posterior do hipocampo, tentando seguir as regras de protocolo de forma tão consistente quanto possível.
2. Calcule kappa da Dice entre os volumes originais e resegmented:
   
   onde k = kappa de Dados e A e B são volumes de etiqueta.

Resultados

. Os resultados do teste de fiabilidade protocolo estão resumidas na Tabela 2 para todo o hipocampo bilateral, significa sobreposição espacial como medido por kappa de dados é 0,91 e varia de 0,90 - 0,92. Os valores de kappa subcampo variar de 0,64 (CA2 / CA3) e 0,83 (CA4 / giro dentado). Os volumes médios para todos os sub-campos do hipocampo inteiro e são apresentados na Tabela 3. Os volumes para toda a gama a partir de hipocampo 2456.72-3325.02 mm ^3....

Discussão

Segmentação subcampo hipocampal em imagens de RM está bem representado na literatura. No entanto, os protocolos existentes excluir partes do hipocampo ^20,23,33,35, aplicam-se apenas a imagens fixas ^37, ou exigir scanners ultra-altas de campo para a aquisição de imagens ^35,37. Este manuscrito apresenta um protocolo de segmentação, que inclui cinco principais subdivisões (CA1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentado, SR / SL / SM, subículo e do hipocampo) e se estende por toda a extensão a...

Materiais

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