Name: three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures
Uploaded: 2019-11-14T10:00:00
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O trabalho foi financiado pela National Research Foundation of Korea (JP as the PI). JK é financiado pelo Kyungpook National University Research Fund; e o MCVH é financiado pelo Row Fogo Charitable Trust e pela Royal Society of Edinburgh. A segmentação hipocampal foi adaptada das diretrizes in-house escritas pela Dra.

As imagens de MR do cérebro foram adquiridas de acordo com o protocolo aprovado pelo conselho de revisão institucional local e pelo comitê de ética.
Nota: As ferramentas para modelagem e análise de forma podem ser baixadas do repositório nitrc: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/" target="_blank">https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/</a>. O software GUI (DTMModeling.exe) pode ser executado após a extração. <!--The publication list on the shape...

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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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Em resumo, descrevimos o pipeline de software para a análise de forma em estruturas cerebrais, incluindo (1) segmentação de imagem de RM usando ferramentas abertas (2) reconstrução de forma individual usando um modelo de modelo deformado e (3) diferença de forma quantitativa medição via correspondência de forma transitiva com o modelo modelo. A análise estatística a correção da falsa taxa de descoberta (FDR) é realizada com a deformidade da forma para investigar o significado das alterações morfológicas ...

A análise da forma de estruturas cerebrais emergiu como a ferramenta preferida para investigar suas mudanças morfológicas em processos patológicos, como doenças neurodegenerativas e envelhecimento1. Vários métodos computacionais são necessários para 1) delineam com precisão os limites das estruturas alvo de imagens médicas, 2) reconstruir a forma de alvo na forma de malha de superfície 3D, 3) construir correspondência inter-sujeitos em todos os modelos de forma individual através de parametrização de forma ou registro de superfície, e 4) avaliar quantitativamente as diferenças de forma regional entre indivíduos ou grupos. Ao longo dos últimos anos, muitos métodos foram introduzidos em estudos de neuroimagem para cada uma dessas etapas. No entanto, apesar dos desenvolvimentos notáveis no campo, não há muitos quadros imediatamente aplicáveis à pesquisa. Neste artigo, descrevemos cada etapa da análise de forma das estruturas cerebrais usando nossas ferramentas de modelagem de forma personalizada e ferramentas de segmentação de imagem disponíveis publicamente.
Aqui, demonstramos a estrutura de análise de forma para estruturas cerebrais através da análise de forma dos hipocampi esquerdo e direito usando um conjunto de dados de controles adultos e pacientes com doença de Alzheimer. A atrofia do hipocampi é reconhecida como um biomarcador crítico de imagem em doenças neurodegenerativas2,3,4. Em nossa estrutura de análise de forma, empregamos o modelo modelo da estrutura alvo e o registro deformável modelo-a-imagem no processo de modelagem de forma. O modelo de modelo codifica características gerais de forma da estrutura alvo em uma população, e também fornece uma linha de base para quantificar as diferenças de forma entre os modelos individuais através de sua relação transitiva com o modelo modelo. No registro modelo-a-imagem, desenvolvemos um método de deformação da superfície laplácina para ajustar o modelo modelo à estrutura alvo em imagens individuais, minimizando a distorção da distribuição de pontos no modelomodelo modelo 5,6,7. A viabilidade e robustez do quadro proposto foram validados em estudos recentes de neuroimagem do envelhecimento cognitivo8, detecção precoce do comprometimento cognitivo leve9,e para explorar associações entre as alterações estruturais cerebrais e os níveis de cortisol10. Essa abordagem facilitaria o uso dos métodos de modelagem e análise de forma em estudos de neuroimagem adicionais.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

A análise estatística da forma de estruturas do cérebro foi usada para investigar a associação entre suas mudanças estruturais e processos patológicos. Desenvolvemos um pacote de software para modelagem de forma precisa e robusta e análise em termos de grupo. Aqui, introduzimos um pipeline para a análise de forma, desde modelagem de forma 3D individual até análise quantitativa de forma de grupo. Também descrevemos as etapas de pré-processamento e segmentação usando pacotes de software aberto. Este guia prático ajudaria os pesquisadores a economizar tempo e esforço na análise de forma 3D em estruturas cerebrais.

O processo de modelagem de forma descrito aqui tem sido empregado para vários estudos de neuroimagem sobre o envelhecimento6,8,10 e a doença de Alzheimer5,9. Especialmente, este método de modelagem de forma mostrou sua precisão e sensibilidade na análise de forma no hipocampo para uma população envelhecida de 654 indivíduos<sup cl...

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Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures

Introduzimos um protocolo semiautomático para análise de forma em estruturas cerebrais, incluindo segmentação de imagem usando software aberto e uma análise de forma mais em termos de grupo usando um pacote de modelagem automatizado. Aqui, demonstramos cada etapa do protocolo de análise de forma 3D com segmentação hipocampal a partir de imagens de MR cerebrais.

Modelagem e análise tridimensional da forma de estruturas do cérebro

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

Recuperar com precisão as características da forma contra segmentações ásperas e ruidosas é fundamental para alcançar uma boa correspondência anatômica entre modelos individuais de forma cerebral. Nossa estrutura fornece várias ferramentas para modelagem de forma individual, construção de modelos em grupo e computação de deformidade de forma. E tem sido usado para grandes conjuntos de dados do cérebro humano.Demonstrando este procedimento estará o Dr.Jaeil Kim, um ex-aluno de pós-graduação do meu laboratório que desenvolveu o software para a modelagem da forma cerebral. Para edição manual da segmentação hipocampal, abra a imagem de ressonância magnética de peso T1 e a segmentação hipocampal automática resulta no software de interface gráfica do usuário. Clique no ícone na janela de exibição para selecionar a exibição coronal e role o volume até que o uncus esteja localizado.Incluindo o uncus na máscara hipocampal onde está presente, use as funções de adutor e subtraia para editar a máscara do corpo hipocampal depois que o uncus tiver recuado. Continue editando a máscara hipocampal até que a cauda hipocampal seja encontrada. À medida que o núcleo pulvinar do tálamo recua superior ao hipocampo, o fornix emergirá.Termine de editar a última fatia coronal do hipocampo em que toda a extensão do fornix é visível, mas ainda não contínua com o esplenio do corpo caloso. Em seguida, guarde as máscaras para o hipocampi esquerdo e direito no formato NifTI. Para construir um modelo de modelo de grupo, carregue o plug-in de modelagem de forma e clique em Open Directory para abrir um diretório contendo as máscaras binárias da população de estudo de interesse.Insira o número desejado de vértices e clique em Modelr Construction para a construção do modelo de grupo. Em seguida, verifique a malha de forma média. Para reconstrução de forma individual, carregue a imagem de ressonância magnética ponderada t1 de interesse e sua máscara de segmentação correspondente e selecione o diretório de trabalho para salvar os arquivos.Selecione um modelo para modelagem individual e verifique e modifique os parâmetros de modelagem no plug-in de modelagem de forma conforme necessário. Assim, nossa estrutura de modelagem é quase automatizada, no entanto, algumas etapas exigem confirmação do usuário. Por exemplo, se o valor para as regiões hipocampais não for um dos usuários deve alterar o parâmetro de intensidade.Em seguida, verifique o resultado na exibição 3D da bancada do kit de ferramentas. Para realizar uma medição de forma e deformidade, selecione o modelo de forma do sujeito de interesse no gerenciador de dados do software e clique em Selecionar Modelo para selecionar o modelo de interesse para obter a medição. Aqui, uma deformação representativa do modelo hipocampal para reconstrução de forma individual pode ser observada.O método induz uma deformação em larga e pequena escala do modelo para minimizar a distorção de sua distribuição de pontos, restaurando as características da forma individual. Nesta figura, são mostrados modelos de forma reconstruídos de dois sujeitos com suas máscaras de segmentação. Nessas imagens podem ser observados modelos de forma individuais alinhados, seu modelo médio e os vetores de diferença de forma com um modelo de forma individual.Esses dados representam mapas de deformidade de forma média projetados no modelo médio. Para um grupo com um pequeno volume de tecido cerebral, e um grupo com um grande volume de tecido cerebral. Os mapas de deformidade de forma dos dois grupos apresentam padrões opostos de diferença de forma hipocampal em regiões correspondentes.Verifique a máscara de segmentação e o indivíduo ou o modelo compartilhado juntos. Se o modelo não estiver ajustado ao limite da imagem, ajuste os parâmetros de modelagem para obter melhores resultados. Análise estatística usando a deformidade de forma pode ser realizada para investigar a forma em termos de grupo Também fornecemos código MATLAB para a análise em nossa página de projeto.Este método robusto tem sido aplicado a uma série de estudos clínicos, não apenas envolvendo modelagem de estrutura crítica, como doença de Alzheimer ou estudo de envelhecimento, mas também distúrbios ósseos que requerem a análise de ossos compostos.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Dissecção e Cultura do mouse e dopaminérgico do estriado explantes em três dimensões Ensaios matriz de colágeno

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

Neurociência

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

Tridimensional Confocal análise de marcadores Microglia / macrófagos de polarização em 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

Protocolo para tridimensional confocal morfométrica Análise de astrócitos

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

Imagem tridimensional e análise de mitocôndrias dentro as fibras nervosas intraepidérmicas humana

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

Olhando para Cérebro polissomos com Microscopia de Força Atômica

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

Redes neuronais modificadas por micro-tecidos tridimensionais com inspiração anatômica para a reconstrução, modulação e modelagem do sistema nervoso

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

Imagem tridimensional em grande escala de organização celular no neocórtex Mouse

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

Crônica implantação de matriz Electrocorticographic todo-cortical no sagui comum

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

Abertura da Barreira Hematoencefálica Induzida por Ultrassom Focalizado para Atingir Estruturas Cerebrais e Avaliar a Neuromodulação Quimiogenética

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

Geração organoide do nervo motor tridimensional

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