Name: high-resolution structural magnetic resonance imaging of the human subcortex in vivo and postmortem
Uploaded: 2015-12-30T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem at JoVE.com

The authors acknowledge the following funding sources, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC), the Dorothy Pitts Research Fund (NG), and the Nicky and Thor Eaton Research Fund. The authors acknowledge Kevin DeSimone, and Aman Goyal and for their knowledge in MRI acquisition and analysis expertise.

1. Deltagare och obduktion hjärn Set-Up OBS: Alla bilder förvärvades med en 3 T magnetkamera med en 32-kanals huvudspole och alla MRI scanning utfördes vid RT, ca 20 ° C. Alla deltagare var högerhänt och gav skriftligt informerat samtycke. Varje deltagare var vid god hälsa med ingen historia av neurologiska sjukdomar. Experimentprotokollet godkändes och följer riktlinjerna i York University Human Deltagare granskningskommittén. <ol><li> Be varje deltagare fylla i och underteckna ett patientens samty...

<ol>
	<li>Devlin, J. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reliable+identification+of+the+auditory+thalamus+using+multi-modal+structural+analyses.">Reliable identification of the auditory thalamus using multi-modal structural analyses.</a> NeuroImage. 30 (4), 1112-1120 (2006).</li><li>Fellner, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=True+proton+density+and+T2-weighted+turbo+spin-echo+sequences+for+routine+MRI+of+the+brain.">True proton density and T2-weighted turbo spin-echo sequences for routine MRI of the brain.</a> Neuroradiology. 36 (8), 591-597 (1994).</li><li>Schumann, C. M., Buonocore, M. H., Amaral, D. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Magnetic+resonance+imaging+of+the+post-mortem+autistic+brain.">Magnetic resonance imaging of the post-mortem autistic brain.</a> J Autism Dev Disord. 31 (6), 561-568 (2001).</li><li>Tovi, M., Ericsson, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurements+of+T1+and+T2+over+time+in+formalin-fixed+human+whole-brain+specimens.">Measurements of T1 and T2 over time in formalin-fixed human whole-brain specimens.</a> Acta Radiol. 33 (5), 400-404 (1992).</li><li>Fujita, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lateral+geniculate+nucleus:+anatomic+and+functional+identification+by+use+of+MR+imaging.">Lateral geniculate nucleus: anatomic and functional identification by use of MR imaging.</a> Am J Neuroradiol. 22 (9), 1719-1726 (2001).</li><li>Bridge, H., Thomas, O., Jbabdi, S., Cowey, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Changes+in+connectivity+after+visual+cortical+brain+damage+underlie+altered+visual+function.">Changes in connectivity after visual cortical brain damage underlie altered visual function.</a> Brain. 131 (6), 1433-1444 (2008).</li><li>Gupta, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atrophy+of+the+lateral+geniculate+nucleus+in+human+glaucoma+detected+by+magnetic+resonance+imaging.">Atrophy of the lateral geniculate nucleus in human glaucoma detected by magnetic resonance imaging.</a> Br J Opthalmol. 93 (1), 56-60 (2009).</li><li>Dai, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessment+of+lateral+geniculate+nucleus+atrophy+with+3T+MR+imaging+and+correlation+with+clinical+stage+of+glaucoma.">Assessment of lateral geniculate nucleus atrophy with 3T MR imaging and correlation with clinical stage of glaucoma.</a> Am J Neuroradiol. 32 (7), 1347-1353 (2011).</li><li>McKetton, L., Kelly, K. R., Schneider, K. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Abnormal+lateral+geniculate+nucleus+and+optic+chiasm+in+human+albinism.">Abnormal lateral geniculate nucleus and optic chiasm in human albinism.</a> J Comp Neurol. 522 (11), 2680-2687 (2014).</li><li>Jenkinson, M., Bannister, P., Brady, M., Smith, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improved+optimization+for+the+robust+and+accurate+linear+registration+and+motion+correction+of+brain+images.">Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images.</a> NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).</li><li>Dietrich, O., Raya, J. G., Reeder, S. B., Reiser, M. F., Schoenberg, S. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+signal-to-noise+ratios+in+MR+images:+influence+of+multichannel+coils,+parallel+imaging,+and+reconstruction+filters.">Measurement of signal-to-noise ratios in MR images: influence of multichannel coils, parallel imaging, and reconstruction filters.</a> J Magn Reson Imaging. 26 (2), 375-385 (2007).</li><li>Andrews, T. J., Halpern, S. D., Purves, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Correlated+size+variations+in+human+visual+cortex,+lateral+geniculate+nucleus,+and+optic+tract.">Correlated size variations in human visual cortex, lateral geniculate nucleus, and optic tract.</a> J Neurosci. 17 (8), 2859-2868 (1997).</li><li>Pfefferbaum, A., Sullivan, E. V., Adalsteinsson, E., Garrick, T., Harper, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Postmortem+MR+imaging+of+formalin-fixed+human+brain.">Postmortem MR imaging of formalin-fixed human brain.</a> NeuroImage. 21 (4), 1585-1595 (2004).</li></ol>

Denna studie beskriver ett optimerat protokoll i förvärv och analysteknik för att erhålla högupplösta PD viktade bilder av subkortikala regioner. Ett antal skanningsparametrar testades och modifierades med de mest betydande avseende matrisstorlek, voxel storlek och bandbredd för att öka SNR och minska antalet förvärv ett viktigt steg i att kunna bestämma högupplösta subkortikala strukturer. I samband med att hitta optimala parametrar i levande människor, testat denna forskning de absoluta begränsningarna ...

Syftet med denna forskning var att testa upplösningen gränserna för strukturella MRI i frånvaro av fysiologiska buller. Protontäthet (PD) viktade bilder förvärvades i en obduktion hjärnan under en lång tid (två ~ 24 tim sessioner) för att fastställa det minsta antalet bilder som behövs för att registreras och medelvärdet för att lösa de subkortikala strukturer. Som jämförelse var PD viktade bilder även förvärvat i levande människor under ett antal sessioner. Framför allt var målet att ta reda på om det skulle vara möjligt att på ett bästa fall att lösa alla sex enskilda lager av den mänskliga LGN, som är ungefär 1 mm tjockt (Figur 1). <img alt="Figur 1" src="/files/ftp_upload/53309/53309fig1.jpg" /> Figur 1. Human laterala knäkroppen lager. Skiss över den laminära strukturen i LGN. Magnocellulära (M) skikten består av större neuronalacellstorlek och mindre celltäthet som är ansvariga för att lösa rörelse och kursupplägg (skikten 1-2, visas som mörkgrå). Parvocellular skikt (P) består av mindre neuronal cellstorlek och större celltäthet som är ansvariga för att lösa fina form och färg (skikten 4-6, som visas som ljusgrått). Skala bar 1 mm. Siffran bygger på färgade human LGN 12. Rumslig upplösning i MR förbättras när matrisstorleken ökar, och när field-of (FOV) och snittjockleken minskas. Emellertid minskar ökad upplösning signal-brusförhållande (SNR), vilken är proportionell mot voxeln volymen. SNR är också proportionell mot kvadratroten av antalet mätningar. I levande människor, även om flera bilder kan förvärvas under ett antal separata avbildning sessioner, är den ultimata upplösningen begränsad av fysiologiska buller, såsom andning, cirkulationspulsationer och huvudrörelser. Hög-resolution (0,35 mm i planet voxlar) PD viktade skannar förvärvades. PD skannar förbättra grått och vitt kontrast i thalamus 1, och resulterar i bilder som minimerar T 1 och T 2 effekter. Dess bild är beroende av densiteten av protoner i form av vatten och makromolekyler såsom proteiner och fett i avbildningsvolymen. De ökade antalet protoner i en vävnad resulterar i en ljusare signal på bilden på grund av den högre longitudinella delstudien av magnetiseringen 2. PD vägda skanningar samlades eftersom de ger en högre kontrast subkortikala strukturer med omgivande vävnad. Andra kontraster, såsom T1 och T2-viktade bilder resulterar i svårigheter att avgränsa subkortikala strukturer som LGN grund av mindre kontrast-brus-förhållanden, såsom bestäms ƒ 1,3. Likaså tidigare studier fann att PD-viktade bilder av formalin fast efter slakt hjärnor resulted högre skillnader kontrast mellan grå och vit substans jämfört med T1 och T2-viktade bilder som hade liknande grå och vit substans bildintensiteter 3,4. Den underliggande biofysiska bestämningsfaktorer kan förklara dessa skillnader. T1 (längsgående) och T2 (tvärgående) relaxationstider av väteprotoner beror på hur vattnet rör sig i vävnaden. Fixativ såsom formalin arbete av tvärbindande proteiner. Skillnaderna mellan vatten rörlighet minskas mellan olika vävnadstyper när fixerings används. Minskad T1 vävnadskontrast har observerats efter fixering, medan skillnaderna i den relativa densiteten av protoner inom hjärnvävnad ökade med fixering, vilket ger bättre kontrast differentiering 3, 4. Tidigare studier har identifierat LGN i PD vägda skannar med hjälp av en 1,5 T 5,6,7, och vid 3 T scanner 8,9. Det är kritiskt att erhålla dessa avsökningar att exakt kunna beskriva omfattningen avLGN. För att bibehålla full täckning av de subkortikala kärnor, var 18 PD vägda skivor uppnås inom thalamus. Varje volym nya prov till dubbelt så hög upplösning 1024 matrisen (0,15 mm i planet voxelstorlek), sammanlänkade, rörelse korrigeras och i genomsnitt att producera en hög upplösning 3D-bild av subkortikala strukturer. Det optimala antalet PD bilder som krävs för följande segment recept var 5, vilket minskar söktiden till mindre än 15 minuter i levande människor. Endast 1 PD bild krävdes för att tydligt avgränsa subkortikala regioner i döden hjärnan, vilket minskar söktiden till mindre än 3 min (Figur 2 och 3). En hel formalinfixerade obduktion hjärn prov avlästes från en kvinna som hade dött av hjärtstillestånd vid en ålder av 82 år. Granskning av journaler visade att hon hade: kronisk obstruktiv lungsjukdom, angina, trippel bypass-operation 8 år före döden, livmodercancer behandlas med hysterektomi7 år före döden, hyperlipidemi, glaukom, och kataraktkirurgi. Den obduktion hjärn Provet immersion-fixerades i 10% neutralt buffrat formalin under minst 3 veckor vid 4 ° C.The obduktion hjärnan skannades med samma bildprotokoll samt med andra parametrar under loppet av många timmar för bildkvalitetsjämförelser . Endast de optimerade parametrarna kommer att beskrivas för protokollet.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Magnetom Trio 3T&#160; MRI</td>
			<td>Siemens (Erlangen, Germany).</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vacuum cushion hand</td>
			<td>Siemens</td>
			<td>Mat No: 4765454</td>
			<td>Manufactured by: Johannes-Stark-Stk. 8 D-92224 Amberg</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-resolution structural magnetic resonance imaging of the human subcortex in vivo and postmortem

Fokus för denna studie var att testa upplösning gränserna för strukturella MRI av en obduktion hjärnan jämfört med levande mänskliga hjärnor. Upplösningen av strukturella MR in vivo ytterst begränsad av fysiologiska buller, inbegripet pulse, respiration och huvudrörelser. Även imaging hårdvara fortsätter att förbättras, är det fortfarande svårt att lösa strukturer på millimeterskala. Till exempel, den primära visuella sensoriska vägar synaps på laterala knäkroppen (LGN), en visuell relä och styr kärna i thalamus som normalt är organiserad i sex inflätade monokulära skikt. Neuroradiologiska studier har inte kunnat på ett tillförlitligt sätt skilja dessa lager på grund av sin ringa storlek som är mindre än 1 mm tjock. Upplösnings gränsen för strukturell MRI, i en obduktion hjärnan testades med hjälp av flera bilder i genomsnitt över en lång tid (~ 24 h). Syftet var att testa om det var möjligt att lösa enskilda layers av LGN i frånvaro av fysiologiska buller. En proton densitet (PD) 1 viktade pulssekvens användes med varierande upplösning och andra parametrar för att bestämma det minsta antalet bilder som krävs för att registreras och medelvärdet för att på ett tillförlitligt sätt skilja LGN och andra subkortikala regioner. Resultaten jämfördes också för bilder som förvärvats i levande människors hjärnor. In vivo försökspersoner skannas för att bestämma de ytterligare effekterna av fysiologiska buller på det minsta antalet PD skanningar som behövs för att differentiera subkortikala strukturer, som är användbara i kliniska tillämpningar.

När subcortex föreskrivs i thalamus är PD viktade bilder samlas in inom segmentet markeringsrutan (Figur 4). SNR förbättras genom ökning av antalet medelvärdes både postmortem och in vivo-skanningar. För att bestämma bildkvaliteten var SNR från olika skannings medelvärden jämfördes genom att dividera signalen av medelvärdet hjärnområde med standardavvikelsen inom något område utanför hjärnan. SNR beräknades som SNR = 0,655 * | j vävnad / σ <s...

Watch this Scientific Journal Video about High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem at JoVE.com

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Here we present a protocol to determine the minimum number images that needed to be registered and averaged to resolve subcortical structures and test whether the individual layers of the LGN could be resolved in the absence of physiological noise.

Högupplöst Strukturell Magnetic Resonance Imaging av Human subcortex<I&gt; In Vivo</I&gt; Och Postmortem

The focus of this study was to test the resolution limits of structural MRI of a postmortem brain compared to living human brains. The resolution of ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

High-resolution Structural Magnetic Resonance Imaging of the Human Subcortex In Vivo and Postmortem

Multiple-mouse Neuroanatomical Magnetic Resonance Imaging

Flera-mus neuroanatomiska Magnetic Resonance Imaging

The field of mouse phenotyping with magnetic resonance imaging (MRI) is rapidly growing, motivated by the need for improved tools for characterizing and ...

A Rapid Approach to High-Resolution Fluorescence Imaging in Semi-Thick Brain Slices

En snabb metod för högupplöst fluorescens avbildning i semi-Tjock hjärnan skivor

A fundamental goal to both basic and clinical neuroscience is to better understand the identities, molecular makeup, and patterns of connectivity that are ...

High-resolution Functional Magnetic Resonance Imaging Methods for Human Midbrain

Högupplösta functional magnetic resonance imaging metoder för Human mitthjärnan

Functional MRI (fMRI) is a widely used tool for non-invasively measuring correlates of human brain activity. However, its use has mostly been focused upon ...

High-resolution Live Imaging of Cell Behavior in the Developing Neuroepithelium

Högupplöst Live avbildning av cellens beteende i utvecklingsländerna neuroepitelet

The embryonic spinal cord consists of cycling neural progenitor cells that give rise to a large percentage of the neuronal and glial cells of the central ...

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

Användning av magnetisk resonansspektroskopi som ett verktyg för mätning av Bi-hemisfären transkraniell elektriska retningar Effekter på Primär Motor Cortex Metabolism

Transcranial direct current stimulation (tDCS) is a neuromodulation technique that has been increasingly used over the past decade in the treatment of ...

Metabolomic Analysis of Rat Brain by High Resolution Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy of Tissue Extracts

Metabolomic Analys av råtthjärna genom högupplöst NMR-spektroskopi av vävnadsextrakt

Studies of gene expression on the RNA and protein levels have long been used to explore biological processes underlying disease. More recently, genomics ...

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging

Hög upplösning<em&gt; In Vivo</em&gt; Manuell segmente Protocol for Human hippocampus delområden Använda 3T Magnetic Resonance Imaging

The human hippocampus has been broadly studied in the context of memory and normal brain function and its role in different neuropsychiatric disorders has ...

A Magnetic Resonance Imaging Protocol for Stroke Onset Time Estimation in Permanent Cerebral Ischemia

En magnetisk resonanstomografi protokoll för Stroke debut tid uppskattning i Permanent Cerebral ischemi

MRI provides a sensitive and specific imaging tool to detect acute ischemic stroke by means of a reduced diffusion coefficient of brain water. In a rat ...

High-resolution Confocal Imaging of the Blood-brain Barrier: Imaging, 3D Reconstruction, and Quantification of Transcytosis

Högupplösta Confocal avbildning av den Blood - brain barriären: bildbehandling, 3D rekonstruktion och kvantifiering av transcytos

The blood-brain barrier (BBB) is a dynamic multicellular interface that regulates the transport of molecules between the circulation and the brain. ...

Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging in Chronic Spinal Cord Compression

Diffusion tensor magnetisk resonanstomografi i kronisk Ryggmärgs kompression

Chronic spinal cord compression is the most common cause of spinal cord impairment in patients with nontraumatic spinal cord damage. Conventional magnetic ...