Name: three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures
Uploaded: 2019-11-14T10:00:00
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Die Arbeit wurde von der National Research Foundation of Korea (JP as the PI) finanziert. JK wird vom Kyungpook National University Research Fund finanziert; und MCVH wird vom Row Fogo Charitable Trust und der Royal Society of Edinburgh finanziert. Die Hippocampussegmentierung wurde nach den internen Richtlinien von Dr. Karen Ferguson am Centre for Clinical Brain Sciences, Edinburgh, UK, angepasst.

Brain MR-Bilder wurden gemäß dem Protokoll erworben, das vom lokalen institutionellen Überprüfungsausschuss und der Ethikkommission genehmigt wurde.
HINWEIS: Die Werkzeuge für die Formmodellierung und -analyse können aus dem NITRC-Repository heruntergeladen werden: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/" target="_blank">https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/</a>. Die GUI-Software (DTMModeling.exe) kann nach der Extraktion ausgeführt werden. <!--The ...

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	<li>Costafreda, S. G., 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=Automated+hippocampal+shape+analysis+predicts+the+onset+of+dementia+in+mild+cognitive+impairment.">Automated hippocampal shape analysis predicts the onset of dementia in mild cognitive impairment.</a> NeuroImage. 56 (1), 212-219 (2011).</li><li>Platero, C., Lin, L., Tobar, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Longitudinal+Neuroimaging+Hippocampal+Markers+for+Diagnosing+Alzheimer's+Disease.">Longitudinal Neuroimaging Hippocampal Markers for Diagnosing Alzheimer's Disease.</a> Neuroinformatics. , 1-19 (2018).</li><li>Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. 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M., 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=Brain+aging,+cognition+in+youth+and+old+age+and+vascular+disease+in+the+Lothian+Birth+Cohort+1936:+rationale,+design+and+methodology+of+the+imaging+protocol.">Brain aging, cognition in youth and old age and vascular disease in the Lothian Birth Cohort 1936: rationale, design and methodology of the imaging protocol.</a> International Journal of Stroke. 6 (6), 547-559 (2011).</li><li>Morey, R. 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Zusammenfassend haben wir die Software-Pipeline für die Formanalyse von Hirnstrukturen einschließlich (1) MR-Bildsegmentierung mit offenen Werkzeugen (2) individueller Formrekonstruktion mit einem verformbaren Vorlagenmodell und (3) quantitativeformdifferenzierend beschrieben. Messung über transitive Formkorrespondenz mit dem Vorlagenmodell. Statistische Analysen im Rahmen der Korrektur der falschen Entdeckungsrate (FDR) werden mit der Formdeformität durchgeführt, um die Bedeutung morphologischer Veränderungen von ...

Die Formanalyse von Hirnstrukturen hat sich als bevorzugtes Werkzeug herauskristallisiert, um ihre morphologischen Veränderungen unter pathologischen Prozessen wie neurodegenerativen Erkrankungen und Alterung1zu untersuchen. Verschiedene Rechenmethoden sind erforderlich, um 1) die Grenzen von Zielstrukturen aus medizinischen Bildern genau abzugrenzen, 2) die Zielform in Form von 3D-Oberflächennetzen zu rekonstruieren, 3) intersubjektübergreifende Korrespondenz über die einzelnen Formmodelle mittels Formparametrierung oder Oberflächenregistrierung zu bilden und 4) die regionalen Formunterschiede zwischen Individuen oder Gruppen quantitativ zu bewerten. In den letzten Jahren, viele Methoden wurden in Neuroimaging-Studien für jeden dieser Schritte eingeführt. Trotz der bemerkenswerten Entwicklungen auf diesem Gebiet gibt es jedoch nicht viele Rahmenbedingungen, die sofort auf die Forschung anwendbar sind. In diesem Artikel beschreiben wir jeden Schritt der Formanalyse von Gehirnstrukturen mithilfe unserer benutzerdefinierten Formmodellierungstools und öffentlich verfügbaren Bildsegmentierungstools.
Hier zeigen wir den Rahmen für die Formanalyse für Hirnstrukturen durch die Formanalyse des linken und rechten Hippocamps anhand eines Datensatzes von Erwachsenenkontrollen und Alzheimer-Patienten. Atrophie des Hippocampi ist als kritischer bildgebender Biomarker bei neurodegenerativen Erkrankungen2,3,4anerkannt. In unserem Shape-Analyse-Framework verwenden wir das Vorlagenmodell der Zielstruktur und die vorlagenverformbare Registrierung im Formmodellierungsprozess. Das Vorlagenmodell kodiert allgemeine Formmerkmale der Zielstruktur in einer Grundgesamtheit und bietet auch eine Basisfürstfür die Quantifizierung der Formunterschiede zwischen den einzelnen Modellen über ihre transitive Beziehung zum Vorlagenmodell. In der Vorlagen-zu-Bild-Registrierung haben wir eine Laplacian-Oberflächenverformungsmethode entwickelt, um das Vorlagenmodell in einzelnen Bildern an die Zielstruktur anzupassen und gleichzeitig die Verzerrung der Punktverteilung im Vorlagenmodell5,6,7zu minimieren. Die Machbarkeit und Robustheit des vorgeschlagenen Rahmens wurden in den jüngsten neuroimaging Studien der kognitiven Alterungvalidiert 8, Früherkennung von leichten kognitiven Beeinträchtigungenthoben 9, und um Assoziationen zwischen strukturellen Veränderungen des Gehirns und Cortisolspiegel10zu untersuchen. Dieser Ansatz würde es einfacher machen, die Formmodellierungs- und Analysemethoden in weiteren neuroimaging-Studien zu verwenden.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

Statistische Formanalysen von Hirnstrukturen wurden verwendet, um den Zusammenhang zwischen ihren strukturellen Veränderungen und pathologischen Prozessen zu untersuchen. Wir haben ein Softwarepaket für genaue und robuste Formmodellierung und gruppenweise Analyse entwickelt. Hier führen wir eine Pipeline für die Formanalyse ein, von der individuellen 3D-Formmodellierung bis zur quantitativen Gruppenformanalyse. Wir beschreiben auch die Vorverarbeitungs- und Segmentierungsschritte mit offenen Softwarepaketen. Dieser praktische Leitfaden würde Forschern helfen, Zeit und Mühe bei der 3D-Formanalyse von Gehirnstrukturen zu sparen.

Der hier beschriebene Prozess der Formmodellierung wurde für verschiedene neuroimaging Studien über das Altern6,8,10 und Alzheimer-Krankheit5,9eingesetzt. Insbesondere zeigte diese Formmodellierungsmethode ihre Genauigkeit und Empfindlichkeit in der Formanalyse auf dem Hippocampus für eine alternde Population von 654 Probanden<sup clas...

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Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures

Wir führen ein halbautomatisches Protokoll für die Formanalyse von Gehirnstrukturen ein, einschließlich der Bildsegmentierung mit offener Software, und weitere gruppenweise Formanalyse mit einem automatisierten Modellierungspaket. Hier zeigen wir jeden Schritt des 3D-Formanalyseprotokolls mit Hippocampus-Segmentierung aus Hirn-MR-Bildern.

Dreidimensionale Formmodellierung und Analyse von Gehirnstrukturen

Statistical shape analysis of brain structures has been used to investigate the association between their structural changes and pathological processes. ...

Die genaue Wiederherstellung der Formmerkmale gegenüber rauen und lauten Segmentierungen ist entscheidend, um eine gute anatomische Übereinstimmung zwischen einzelnen Gehirnformmodellen zu erreichen. Unser Framework bietet verschiedene Tools für die individuelle Formmodellierung, die gruppenweise Vorlagenerstellung und die Berechnung der Formdeformität. Und es wurde für große Datensätze des menschlichen Gehirns verwendet.Demonstriert dieses Verfahren wird Dr.Jaeil Kim sein, ein ehemaliger Grad Student aus meinem Labor, der die Software für die Gehirnformmodellierung entwickelt hat. Zur manuellen Bearbeitung der Hippocampussegmentierung öffnen Sie das T1-Gewicht-Magnetresonanzbild und die automatische Hippocampussegmentierung ergibt die grafische Benutzeroberflächensoftware. Klicken Sie auf das Symbol im Anzeigefenster, um die koronale Ansicht auszuwählen und durch die Lautstärke zu scrollen, bis sich der Uncus befindet.Einschließlich des Uncus in der Hippocampus-Maske, wo er vorhanden ist, verwenden Sie die Add- und Subtrahierfunktionen, um die Maske des Hippocampuskörpers zu bearbeiten, nachdem der Uncus zurückgetreten ist. Bearbeiten Sie die Hippocampusmaske weiter, bis der Hippocampusschwanz gefunden ist. Wenn der Pulvinarkern des Thalamus dem Hippocampus überlegen ist, wird der Fornix entstehen.Beenden Sie die Bearbeitung der letzten koronalen Scheibe des Hippocampus, in der die gesamte Länge des Fornix sichtbar ist, aber noch nicht kontinuierlich mit dem Splenium des Corpus callosum. Speichern Sie dann die Masken für das linke und rechte Hippocampi im NifTI-Format. Um ein Gruppenvorlagenmodell zu erstellen, laden Sie das Shape Modeling-Plug-In, und klicken Sie auf Verzeichnis öffnen, um ein Verzeichnis zu öffnen, das die binären Masken der Studienauffüllung von Interesse enthält.Geben Sie die gewünschte Anzahl von Scheitelpunkten ein, und klicken Sie auf Vorlagenkonstruktion für die Gruppenvorlagenkonstruktion. Überprüfen Sie dann das mittlere Formnetz. Laden Sie für die individuelle Formrekonstruktion das T1-gewichtete Magnetresonanzbild von Interesse und die entsprechende Segmentierungsmaske und wählen Sie das Arbeitsverzeichnis aus, um die Dateien zu speichern.Wählen Sie ein Vorlagenmodell für die individuelle Formmodellierung aus, und überprüfen und ändern Sie die Modellierungsparameter im Shape Modeling Plug-In bei Bedarf. Unser Modellierungsframework ist also fast automatisiert, einige Schritte erfordern jedoch eine Bestätigung durch den Benutzer. Wenn der Wert für die Hippocampus-Regionen beispielsweise nicht einer ist, muss der Parameter Intensität geändert werden.Überprüfen Sie dann das Ergebnis in der 3D-Ansicht der Toolkit-Workbench. Um eine Form- und Deformitätsmessung durchzuführen, wählen Sie das Formmodell des Interessenten im Datenmanager der Software aus, und klicken Sie auf Vorlage auswählen, um die Vorlage auszuwählen, die für die Messung von Interesse ist. Hier kann eine repräsentative Verformung des Hippocampus-Vorlagenmodells für die individuelle Formrekonstruktion beobachtet werden.Die Methode induziert eine große bis kleine Verformung des Vorlagenmodells, um die Verzerrung der Punktverteilung zu minimieren und gleichzeitig die einzelnen Formeigenschaften wiederherzustellen. In dieser Abbildung werden rekonstruierte Formmodelle aus zwei Motiven mit ihren Segmentierungsmasken dargestellt. In diesen Bildern können einzelne Formmodelle, ihr Durchschnittsmodell und die Formdifferenzvektoren mit einem einzelnen Formmodell beobachtet werden.Diese Daten stellen die durchschnittliche Formdeformität dar, die auf das durchschnittliche Modell projiziert wird. Für eine Gruppe mit einem kleinen Hirngewebevolumen und eine Gruppe mit einem großen Hirngewebevolumen. Die Formdeformitätskarten der beiden Gruppen zeigen entgegengesetzte Muster des Hippocampus-Formunterschieds an den entsprechenden Regionen.Überprüfen Sie die Segmentierungsmaske und die einzelne oder entweder das gemeinsam genutzte Modell zusammen. Wenn das Modell nicht an die Bildgrenze angepasst ist, passen Sie die Modellierungsparameter an, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Statistische Auswertung enthoben mit der Formdeformität kann durchgeführt werden, um die gruppenweise Form zu untersuchen Wir haben auch MATLAB-Code für die Analyse auf unserer Projektseite zur Verfügung gestellt.Diese robuste Methode wurde auf eine Reihe von klinischen Studien angewendet, die nicht nur kritische Strukturmodellierung wie Alzheimer-Krankheit oder Alterungsstudie beinhalten, sondern auch Fuß-Knochen-Erkrankungen, die die Analyse von zusammengesetzten Knochen erfordern.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Dissection and Culture of Mouse Dopaminergic and Striatal Explants in Three-Dimensional Collagen Matrix Assays

Dissection und Kultur von Maus-dopaminergen und Striatale Explantate in dreidimensionalen Kollagen-Matrix-Assays

Midbrain dopamine (mdDA) neurons project via the medial forebrain bundle towards several areas in the telencephalon, including the striatum1. ...

Forschung

Neurowissenschaften

Three-dimensional Confocal Analysis of Microglia/macrophage Markers of Polarization in Experimental Brain Injury

Dreidimensionale konfokale Analyse der Mikroglia / Makrophagen-Marker der Polarisation in Experimental Brain Injury

After brain stroke microglia/macrophages (M/M) undergo  rapid activation with dramatic morphological and phenotypic changes that  include expression of ...

Protocol for Three-dimensional Confocal Morphometric Analysis of Astrocytes

Protokoll zur dreidimensionalen konfokalen morphometrische Analyse der Astrozyten

As glial cells in the brain, astrocytes have diverse functional roles in the central nervous system. In the presence of harmful stimuli, astrocytes modify ...

Three-dimensional Imaging and Analysis of Mitochondria within Human Intraepidermal Nerve Fibers

Dreidimensionale Bildgebung und Analyse der Mitochondrien innerhalb von menschlichen Intraepidermal Nervenfasern

The goal of this protocol is to study mitochondria within intraepidermal nerve fibers. Therefore, 3D imaging and analysis techniques were developed to ...

Peering at Brain Polysomes with Atomic Force Microscopy

Peering am Gehirn Polysomen mit Rasterkraftmikroskopie

The translational machinery, i.e., the polysome or polyribosome, is one of the biggest and most complex cytoplasmic machineries in cells. Polysomes, ...

Anatomically Inspired Three-dimensional Micro-tissue Engineered Neural Networks for Nervous System Reconstruction, Modulation, and Modeling

Anatomisch inspirierte dreidimensionale Mikro-Gewebe-konstruierte Neuronale Netze für Nervensystem-Rekonstruktion, Modulation und Modellierung

Functional recovery rarely occurs&#160;following injury or disease-induced degeneration within the central nervous system (CNS)&#160;due to the inhibitory ...

Large-scale Three-dimensional Imaging of Cellular Organization in the Mouse Neocortex

Groß angelegte dreidimensionale Bildgebung der zelluläre Organisation in der Maus Neocortex

The mammalian neocortex is composed of many types of excitatory and inhibitory neurons, each with specific electrophysiological and biochemical ...

Chronic Implantation of Whole-cortical Electrocorticographic Array in the Common Marmoset

Chronische Implantation des gesamten kortikalen Electrocorticographic Arrays in der Weißbüschelaffe

Electrocorticography (ECoG) allows the monitoring of electrical field potentials from the cerebral cortex with high spatiotemporal resolution. Recent ...

Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for Targeting Brain Structures and Evaluating Chemogenetic Neuromodulation

Fokussierte ultraschallinduzierte Öffnung der Blut-Hirn-Schranke zur gezielten Behandlung von Hirnstrukturen und zur Beurteilung der chemogenetischen Neuromodulation

Acoustically Targeted Chemogenetics (ATAC) allows for the noninvasive control of specific neural circuits. ATAC achieves such control through a ...

Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

Dreidimensionale Motornerve Organoid Generation

A fascicle of axons is one of the major structural motifs observed in the nervous system. Disruption of axon fascicles could cause developmental and ...