Name: three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures
Uploaded: 2019-11-14T10:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures at JoVE.com

El trabajo fue financiado por la National Research Foundation of Korea (JP como PI). JK está financiado por el Fondo de Investigación de la Universidad Nacional Kyungpook; y MCVH está financiado por Row Fogo Charitable Trust y la Royal Society de Edimburgo. La segmentación del hipocampo fue adaptada de las directrices propias escritas por la Dra. Karen Ferguson, en el Centro de Ciencias Clínicas del Cerebro, Edimburgo, Reino Unido.

Las imágenes de Brain MR fueron adquiridas según el protocolo aprobado por la junta de revisión institucional local y el comité de ética.
NOTA: Las herramientas para el modelado y análisis de formas se pueden descargar desde el repositorio NITRC: <a href="https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/" target="_blank">https://www.nitrc.org/projects/dtmframework/</a>. El software GUI (DTMModeling.exe) se puede ejecutar después de la extracción. <!--The publication list on...

<ol>
	<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. C., 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=Rationale,+design,+and+methodology+of+the+image+analysis+protocol+for+studies+of+patients+with+cerebral+small+vessel+disease+and+mild+stroke.">Rationale, design, and methodology of the image analysis protocol for studies of patients with cerebral small vessel disease and mild stroke.</a> Brain and behavior. 5 (12), e00415 (2015).</li><li>Kalmady, S. V., 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=Clinical+correlates+of+hippocampus+volume+and+shape+in+antipsychotic-na&#239;ve+schizophrenia.">Clinical correlates of hippocampus volume and shape in antipsychotic-na&#239;ve schizophrenia.</a> Psychiatry Research: Neuroimaging. 263, 93-102 (2017).</li><li>Kim, J., Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hippocampal+Shape+Modeling+Based+on+a+Progressive+Template+Surface+Deformation+and+its+Verification.">Hippocampal Shape Modeling Based on a Progressive Template Surface Deformation and its Verification.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 34 (6), 1242-1261 (2015).</li><li>Kim, J., 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=3D+shape+analysis+of+the+brain's+third+ventricle+using+a+midplane+encoded+symmetric+template+model.">3D shape analysis of the brain's third ventricle using a midplane encoded symmetric template model.</a> Computer Methods and Programs in Biomedicine. 129, 51-62 (2016).</li><li>Kim, J., Ryoo, H., Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., Royle, N. A., Park, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+Ventricular+Morphology+Analysis+Using+a+Set+of+Ventricular-Specific+Feature+Descriptors.">Brain Ventricular Morphology Analysis Using a Set of Ventricular-Specific Feature Descriptors.</a> International Symposium on Biomedical Simulation. , 141-149 (2014).</li><li>Vald&#233;s Hern&#225;ndez, M. D. C., 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=Hippocampal+morphology+and+cognitive+functions+in+community-dwelling+older+people:+the+Lothian+Birth+Cohort+1936.">Hippocampal morphology and cognitive functions in community-dwelling older people: the Lothian Birth Cohort 1936.</a> Neurobiology of Aging. 52, 1-11 (2017).</li><li>Lee, P., Ryoo, H., Park, J., Jeong, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphological+and+Microstructural+Changes+of+the+Hippocampus+in+Early+MCI:+A+Study+Utilizing+the+Alzheimer's+Disease+Neuroimaging+Initiative+Database.">Morphological and Microstructural Changes of the Hippocampus in Early MCI: A Study Utilizing the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Database.</a> Journal of Clinical Neurology. 13 (2), 144-154 (2017).</li><li>Cox, S. R., 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=Associations+between+hippocampal+morphology,+diffusion+characteristics,+and+salivary+cortisol+in+older+men.">Associations between hippocampal morphology, diffusion characteristics, and salivary cortisol in older men.</a> Psychoneuroendocrinology. 78, 151-158 (2017).</li><li>Sled, J. G., Zijdenbos, A. P., Evans, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+nonparametric+method+for+automatic+correction+of+intensity+nonuniformity+in+MRI+data.">A nonparametric method for automatic correction of intensity nonuniformity in MRI data.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 17 (1), 87-97 (1998).</li><li>Tustison, N. J., 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=N4ITK:+improved+N3+bias+correction.">N4ITK: improved N3 bias correction.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 29 (6), 1310-1320 (2010).</li><li>Zhang, Y., 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=Segmentation+of+brain+MR+images+through+a+hidden+Markov+random+field+model+and+the+expectation-maximization+algorithm.">Segmentation of brain MR images through a hidden Markov random field model and the expectation-maximization algorithm.</a> IEEE Transactions on Medical Imaging. 20 (1), 45-57 (2001).</li><li>Wardlaw, J. 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. A., 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=A+comparison+of+automated+segmentation+and+manual+tracing+for+quantifying+hippocampal+and+amygdala+volumes.">A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes.</a> NeuroImage. 45 (3), 855-866 (2009).</li><li>Boccardi, 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=Survey+of+protocols+for+the+manual+segmentation+of+the+hippocampus:+preparatory+steps+towards+a+joint+EADC-ADNI+harmonized+protocol.">Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol.</a> Journal of Alzheimer's Disease. 26 (s3), 61-75 (2011).</li><li>Winterburn, J., 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=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.</a> Journal of Visualized Experiments. (105), e51861 (2015).</li><li>MacLullich, A., 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=Intracranial+capacity+and+brain+volumes+are+associated+with+cognition+in+healthy+elderly+men.">Intracranial capacity and brain volumes are associated with cognition in healthy elderly men.</a> Neurology. 59 (2), 169-174 (2002).</li><li>Gower, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generalized+Procrustes+analysis.">Generalized Procrustes analysis.</a> Psychometrika. 40 (1), 33-51 (1975).</li><li>Lorensen, W. E., Cline, H. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Marching+cubes:+A+high+resolution+3D+surface+construction+algorithm.">Marching cubes: A high resolution 3D surface construction algorithm.</a> ACM Siggraph Computer Graphics. , 163-169 (1987).</li></ol>

En resumen, hemos descrito la canalización de software para el análisis de formas en estructuras cerebrales, incluyendo (1) segmentación de imágenes MR utilizando herramientas abiertas (2) reconstrucción de formas individuales utilizando un modelo de plantilla deformable, y (3) diferencia de forma cuantitativa medición a través de correspondencia de forma transitiva con el modelo de plantilla. El análisis estadístico bajo la corrección de la tasa de detección falsa (FDR) se realiza con la deformidad de la form...

El análisis de formas de las estructuras cerebrales ha surgido como la herramienta preferida para investigar sus cambios morfológicos en procesos patológicos, como las enfermedades neurodegenerativas y el envejecimiento1. Se requieren varios métodos computacionales para 1) delinear con precisión los límites de las estructuras objetivo a partir de imágenes médicas, 2) reconstruir la forma objetivo en forma de malla de superficie 3D, 3) construir correspondencia entre sujetos a través de los modelos de forma individuales a través de la parametrización de la forma o el registro de superficie, y 4) evaluar cuantitativamente las diferencias de forma regional es entre individuos o grupos. En los últimos años, se han introducido muchos métodos en estudios de neuroimagen para cada uno de estos pasos. Sin embargo, a pesar de los notables avances en el campo, no hay muchos marcos inmediatamente aplicables a la investigación. En este artículo, describimos cada paso del análisis de formas de las estructuras cerebrales utilizando nuestras herramientas de modelado de formas personalizadas y herramientas de segmentación de imágenes disponibles públicamente.
Aquí, demostramos el marco de análisis de forma para las estructuras cerebrales a través del análisis de la forma del hipocampo izquierdo y derecho utilizando un conjunto de datos de controles adultos y pacientes con enfermedad de Alzheimer. La atrofia del hipopótamo es reconocida como un biomarcador de imágenes crítico en enfermedades neurodegenerativas2,3,4. En nuestro marco de análisis de formas, empleamos el modelo de plantilla de la estructura de destino y el registro deformable de plantilla a imagen en el proceso de modelado de formas. El modelo de plantilla codifica las características generales de la forma de la estructura de destino en una población y también proporciona una línea base para cuantificar las diferencias de forma entre los modelos individuales a través de su relación transitiva con el modelo de plantilla. En el registro de plantilla a imagen, hemos desarrollado un método de deformación de superficie laplaciana para ajustar el modelo de plantilla a la estructura de destino en imágenes individuales, minimizando al mismo tiempo la distorsión de la distribución de puntos en el modelo de plantilla5,6,7. La viabilidad y robustez del marco propuesto han sido validadas en estudios recientes de neuroimagen del envejecimiento cognitivo8,detección temprana de deterioro cognitivo leve9,y para explorar las asociaciones entre los cambios estructurales del cerebro y los niveles de cortisol10. Este enfoque facilitaría el uso de los métodos de modelado y análisis de formas en estudios de neuroimagen posteriores.

three-dimensional shape modeling and analysis of brain structures

El análisis estadístico de la forma de las estructuras cerebrales se ha utilizado para investigar la asociación entre sus cambios estructurales y procesos patológicos. Hemos desarrollado un paquete de software para el modelado de formas preciso y robusto y el análisis en grupo. Aquí, presentamos una canalización para el análisis de formas, desde el modelado de forma 3D individual hasta el análisis cuantitativo de formas de grupo. También describimos los pasos de preprocesamiento y segmentación mediante paquetes de software abiertos. Esta guía práctica ayudaría a los investigadores a ahorrar tiempo y esfuerzo en el análisis de formas 3D en estructuras cerebrales.

El proceso de modelado de la forma descrito aquí se ha empleado para varios estudios de neuroimagen sobre el envejecimiento6,8,10 y la enfermedad de Alzheimer5,9. Especialmente, este método de modelado de formas mostró su precisión y sensibilidad en el análisis de la forma en el hipocampo para una población envejecida de 654 sujetos...

Watch this Scientific Journal Video about Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures at JoVE.com

Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures

Introducimos un protocolo semiautomático para el análisis de formas en estructuras cerebrales, incluida la segmentación de imágenes mediante software abierto, y más análisis de formas en grupo mediante un paquete de modelado automatizado. Aquí, demostramos cada paso del protocolo de análisis de forma 3D con segmentación hipocampal a partir de imágenes de RM cerebral.

Modelado de formas tridimensionales y análisis de estructuras cerebrales

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

Recuperar con precisión las características de la forma contra las segmentaciones ásperas y ruidosas es fundamental para lograr una buena correspondencia anatómica entre los modelos de forma cerebral individuales. Nuestro marco de trabajo proporciona varias herramientas para el modelado de formas individuales, la construcción de plantillas en grupo y el cálculo de la deformidad de la forma. Y se ha utilizado para grandes conjuntos de datos del cerebro humano.Demostrando este procedimiento estará el Dr.Jaeil Kim, un ex estudiante de posgrado de mi laboratorio que desarrolló el software para el modelado de la forma del cerebro. Para la edición manual de la segmentación del hipocampo, abra la imagen de resonancia magnética de peso T1 y la segmentación automática del hipocampo da como resultado el software de interfaz gráfica de usuario. Haga clic en el icono de la ventana de visualización para seleccionar la vista coronal y desplácese por el volumen hasta que se encuentre el lugar.Incluyendo el uncus en la máscara del hipocampo donde está presente, utilice las funciones de sumar y restar para editar la máscara del cuerpo del hipocampo después de que el uncus haya retrocedido. Continúe editando la máscara del hipocampo hasta que se encuentre la cola del hipocampo. A medida que el núcleo pulvinar del tálamo retroceda superior al hipocampo, el fornix emergerá.Terminar de editar la última rebanada coronal del hipocampo en la que toda la longitud del fornix es visible, pero aún no continua con el splenium del cuerpo calloso. A continuación, guarde las máscaras para el hipocampo izquierdo y derecho en formato NifTI. Para construir un modelo de plantilla de grupo, cargue el complemento de modelado de formas y haga clic en Abrir directorio para abrir un directorio que contenga las máscaras binarias de la población de estudio de interés.Introduzca el número deseado de vértices y haga clic en Construcción de plantilla para la construcción de la plantilla de grupo. A continuación, compruebe la malla de forma media. Para la reconstrucción de forma individual, cargue la imagen de resonancia magnética ponderada T1 de interés y su correspondiente máscara de segmentación y seleccione el directorio de trabajo para guardar los archivos.Seleccione un modelo de plantilla para el modelado de formas individual y compruebe y modifique los parámetros de modelado en el complemento de modelado de formas según sea necesario. Por lo tanto, nuestro marco de modelado está casi automatizado, sin embargo, algunos pasos requieren confirmación del usuario. Por ejemplo, si el valor de las regiones del hipocampo no es uno de los usuarios, los usuarios deben cambiar el parámetro de intensidad.A continuación, compruebe el resultado en la vista 3D del área de trabajo del kit de herramientas. Para realizar una medición de forma y deformidad, seleccione el modelo de forma del sujeto de interés en el gestor de datos del software y haga clic en Seleccionar plantilla para seleccionar la plantilla de interés para obtener la medición. Aquí, se puede observar una deformación representativa del modelo de plantilla del hipocampo para la reconstrucción de formas individuales.El método induce una deformación a gran escala del modelo de plantilla para minimizar la distorsión de su distribución de puntos mientras restaura las características de forma individuales. En esta figura, se muestran los modelos de forma reconstruido a partir de dos sujetos con sus máscaras de segmentación. En estas imágenes se pueden observar modelos de forma individuales alineados, su modelo promedio y los vectores de diferencia de forma con un modelo de forma individual.Estos datos representan mapas de deformidad de forma media proyectados en el modelo promedio. Para un grupo con un pequeño volumen de tejido cerebral, y un grupo con un gran volumen de tejido cerebral. Los mapas de deformidad de forma de los dos grupos presentan patrones opuestos de diferencia de forma del hipocampo en las regiones correspondientes.Compruebe conjuntamente la máscara de segmentación y el modelo individual o el modelo compartido. Si el modelo no está ajustado al contorno de la imagen, ajuste los parámetros de modelado para obtener mejores resultados. El análisis estadístico utilizando la deformidad de la forma se puede realizar para investigar la forma de grupo También hemos proporcionado código MATLAB para el análisis en nuestra página del proyecto.Este método robusto se ha aplicado a una serie de estudios clínicos, no sólo implicando el modelado de la estructura crítica como la enfermedad de Alzheimer o estudio de envejecimiento, sino también trastornos del hueso del pie que requieren el análisis de los huesos compuestos.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Disección y Cultura de ratón dopaminérgico estriatal en explantes y tridimensionales ensayos matriz de colágeno

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

Investigación

Neurociencias

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

Análisis confocal tridimensional de marcadores microglía / macrófagos de polarización en 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 morfométrico Análisis de astrocitos

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

Proyección de imagen tridimensional y análisis de las mitocondrias en las fibras de nervio humano Intraepidermal

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

Asomándose al cerebro Polisomas con microscopía de fuerza atómica

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

Anatomía Inspirada Tridimensional Micro-tejido Ingeniería de Redes Neuronales para la Reconstrucción del Sistema Nervioso, Modulación y Modelado

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

Proyección de imagen tridimensional a gran escala de la organización celular en el Neocortex de ratón

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

Implantación crónica de todo cortical matriz electrocorticográfica en el tití común

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

Apertura de la barrera hematoencefálica inducida por ultrasonido focalizado para dirigirse a las estructuras cerebrales y evaluar la neuromodulación 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

Generación de organoides nerviosos motores tridimensionales

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