Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Een uitgebreide protocol voor handmatige segmentatie van de mediale temporale lob Structures

Published: July 2, 2014 doi: 10.3791/50991
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 2,3, 1, 1,2,3
1Psychology Department, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Neuroscience Program, University of Illinois Urbana-Champaign, 3Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois Urbana-Champaign
* These authors contributed equally

ERRATUM NOTICE

Abstract

Het huidige artikel beschrijft een uitgebreide protocol voor handmatige tracering van de set van de hersenen regio's die de mediale temporale kwab (MTL): amygdala, hippocampus, en de bijbehorende parahippocampale regio (perirhinal, entorhinale en parahippocampus juiste). In tegenstelling tot de meeste andere tracing protocollen beschikbaar, meestal gericht op bepaalde MTL gebieden (bijv. amygdala en / of hippocampus), de geïntegreerde visie van de huidige tracing richtsnoeren zorgt voor duidelijke lokalisatie van alle MTL subregio. Door de integratie van informatie uit verschillende bronnen, met inbegrip van bestaande tracing protocollen afzonderlijk gericht diverse MTL structuren, histologische rapporten, en de hersenen atlassen, en met het complement van illustratief beeldmateriaal, het huidige protocol biedt een nauwkeurige, intuïtieve en handige gids voor het begrijpen van de MTL anatomie. De noodzaak van dergelijke traceren richtlijnenwordt ook benadrukt door het illustreren mogelijke verschillen tussen automatische en handmatige segmentatie protocollen. Deze kennis kan worden toegepast in de richting van het onderzoek waarbij niet alleen structurele MRI onderzoeken, maar ook structureel-functionele colocalization en fMRI signaal extractie uit anatomisch gedefinieerde ROI, in gezonde en klinische groepen.

Introduction

De mediale temporale kwab (MTL), een vermoedelijk gebied van het hoogste niveau van integratie van sensorische informatie 1 is een frequent onderwerp van gerichte analyses geweest. Zo hebben de hippocampus en de bijbehorende parahippocampalis gebieden is uitgebreid bestudeerd in het geheugen onderzoek 2-5. Ook de rol van de amygdala is herhaaldelijk benadrukt in onderzoek die de verwerking van emoties en emotie-cognitie interacties 6-11. Onlangs hebben diverse MTL regio kreeg ook aandacht op het nieuwe gebied van neurologie persoonlijkheid, die de structuur en functie van deze en andere hersengebieden koppelt aan individuele variatie in persoonlijkheidskenmerken 12. Beoordeling van de anatomie en functie van de MTL structuren kunnen van belang zijn bij het vergemakkelijken diagnose van degeneratieve ziekten waarbij specifieke structurele en functionele afwijkingen kan verschillende MTL structuren. Bijvoorbeeld, de ziekte van Alzheimer (AD), een belangrijketrofee van de entorhinalschors en de hippocampus kan worden waargenomen 13,14, en atrofie van de hippocampus kan de overgang van mild cognitive impairment AD 15 voorspellen. Automatische segmentatie algoritmen hebben onlangs populair voor het segmenteren van corticale en subcorticale structuren geworden, maar zoals bij elke tool, deze programma's onvermijdelijk fouten tegenkomen in sommige gevallen. In dergelijke gevallen moet een onderzoeker worden uitgerust met zowel de kennis en richtlijnen om de anatomische grenzen van de MTL structuren herkennen. De tendens in de bestaande literatuur gebleken individuele MTL subregio doelgroep 16-21, met veel protocollen neiging om zich te concentreren op de hippocampus 16-19.

In tegenstelling tot de meeste van de beschikbare gepubliceerde richtlijnen voor MTL tracing, het huidige protocol biedt een uitgebreide set van richtlijnen die het mogelijk maken voor een duidelijke lokalisatie van alle MTL subregio. Tracing richtlijnen voor de volgende MTL structuren worden beschreven: de amygdala (AMY), de hippocampus (HC), de perirhinal cortex (PRC), de entorhinalschors (ERC), en de parahippocampale cortex (PHC). De AMY en de HC worden eerst opgespoord, en worden dan gevolgd door de parahippocampale gyrus (PHG) structuren. Merk op dat de generieke term HC hier wordt gebruikt voor de HC samenstelling die de juiste HC omvat de subiculum en het achterste segment van het uncus 22-24. Merk ook op dat de PHG kan worden onderverdeeld in twee segmenten, het voorste deel en het achterste deel. In het voorste gedeelte van het PHG, kan het verder worden onderverdeeld in de laterale en mediale voorste PHG, wiens corticale gebieden komen overeen met de Volksrepubliek China en de ERC, respectievelijk. De PHC, het corticale gebied van het achterste gedeelte van het PHG overeenkomt met het parahippocampus cortex gepast. Voor de eenvoud zullen we gebruik maken van de termen VRC en ERC te verwijzen naar de laterale en mediale voorste PHG, en PHC te verwijzen naar de achterste PHG. De segmentation voor elke structuur begint met een ruwe lokalisatie van de voorste en achterste randen, samen met andere relevante oriëntatiepunten, die vervolgens wordt gevolgd door het opsporen uitgevoerd slice per segment in het frontale vlak in een anterior-posterior/rostro-caudal richting. In alle gevallen zijn de sagittale en axiale secties nauwlettend gevolgd om de lokalisatie van anatomische grenzen en monumenten staan.

De noodzaak van dergelijke traceren richtlijnen wordt ook geïllustreerd in de figuren weergeven van mogelijke verschillen tussen de uitgang van automatische en handmatige segmentatie protocollen. Het voordeel van een protocol dat alle MTL structuren in de huidige visuele vorm beschrijft is dat variaties in de anatomie (bijvoorbeeld de zekerheid sulcus [CS] diepte) die invloed grens definities context worden beschreven met de omringende anatomie (bv. , de Volksrepubliek China en ERC mediale en laterale grenzen variëren in locatie afhankelijk van de diepte van de CS 25

Het huidige protocol is een expliciete weergave van richtlijnen voor MTL tracing in een eerder onderzoek het identificeren van differentieel bijdragen van MTL subregio's om het geheugen versterkende effect van emotie 26, aangepast aan de hogere resolutie hersenen beelden toegestaan ​​door de recente ontwikkelingen in structurele magnetische resonantie (MR) . De tracering wordt geïllustreerd op scans verkregen uit een gezonde vrijwilliger (vrouw, 24 jaar), met behulp van een 3T MR scanner. Anatomische beelden werden verkregen als 3D MPRAGE (TR = 1800 msec; TE = 2,26 msec; FOV = 256 x 256 mm; voxel size = 1 x 0.5 x 0.5 mm) met een overname hoek evenwijdig aan AC-PC. Als beeldgegevens wordt verkregen met een andere overname hoek, zoals schuine oriëntatie, moeten de gegevens reg zijnridded een parallel of loodrecht oriëntatie op AC-PC, zodanig dat de anatomische beschrijvingen mijlpaal te vertalen naar behoren. De beelden werden vervolgens vertaald naar nifti formaat en inbreng in segmentatiesoftware 27 voor handmatige tracing. Scangegevens worden gebruikt in het huidige protocol werd verzameld in het kader van een studie die werd goedgekeurd door de Institutional Review Board, en de vrijwilliger mits schriftelijke toestemming.

Door het tekenen van informatie uit verschillende afzonderlijke tracering protocollen voor deze structuren 18-22,28-31, evenals van anatomische analyses en atlassen 23,32,33, het huidige protocol bevat een uitgebreide set van richtlijnen die inconsistenties in de bestaande literatuur. Aangevuld met de bijbehorende beeldmateriaal, wordt dit werk zal naar verwachting duidelijker inzicht in de MTL structuren te bevorderen, en wakkeren belang van toekomstig onderzoek bij de vaststelling van handmatige segmentatie, hetzij als een primaire methode van MTL tracing of als een suppletiery methode om automatische segmentatie. Door het verstrekken van een nauwkeurige, intuïtieve en handige gids voor het begrijpen van de MTL anatomie, zal dit protocol onderzoekers helpen identificeren van de locatie van alle MTL subregio's, ten opzichte van de aangrenzende structuren, zelfs wanneer slechts enkele MTL structuren die specifiek zijn gericht op analyses. Dit zal niet alleen het verhogen van de nauwkeurigheid lokalisatie, maar zal ook helpen tracers weloverwogen beslissingen te nemen in geval van morfologische variatie, die zeer waarschijnlijk in de MTL. Deze richtlijnen kunnen worden toegepast onderzoek met structurele en / of functionele MRI onderzoeken van de MTL, waaronder volumetrische analyses en hersenen anomalie detectie en lokalisatie procedures voor functionele, anatomische en tractographic analyses in gezonde groepen. Dit protocol kan ook worden gebruikt om segmentatie van MTL structuren informeren van patiënten (bijvoorbeeld patiënten met atrofie), als de grote anatomische oriëntatiepunten relatief behouden. Tracing klinische onderwerpgegevens s 'kan extra tijd en inspanning, afhankelijk van de ernst van atrofie en / of anatomische veranderingen.

Het is belangrijk om het onderscheid tussen gyri en cortex overwegen bij het bepalen van de ROI. Anatomisch, gyrus hier verwijst naar zowel de witte stof en grijze stof, terwijl cortex verwijst naar materie alleen grijs. Afhankelijk van het beoogde gebruik van de ROI, misschien segmentaties witte stof bevatten of uitsluiten.

Wij raden de tracering sequentieel worden uitgevoerd, onderbouw met onderbouw, een hersenhelft tegelijk. Bepaalde software pakketten 34 tot onderzoek naar de grenzen uiteengezet op een schijfje te worden geplakt op latere plakjes, een functie die versnelt het proces. Het is altijd raadzaam om te verwijzen naar de tegengestelde halfrond als nodig is, om te controleren op consistentie tussen de twee partijen (bijvoorbeeld in het opsporen van anatomische oriëntatiepunten). Als alternatief, parallel traceren van dezelfde structuren binnen de twee halfronds kan ook worden uitgevoerd. Ongeacht of de tracering is sequentieel of parallel, zodra het proces is voltooid, moet de tracers double-check het eindresultaat en aanpassingen maken als nodig is, verwijzen naar beide halfronden en meerdere weergaven vliegtuig. Afhankelijk van de ervaring van de tracer en de resolutie van de beeldgegevens, kunnen handmatige segmentatie van de MTL voor gezonde proefpersoon gegevens te nemen 8-10 uur of meer, in het geval van een beginnende tracer, tot 3-4 uur, in de Bij een ervaren.

Figuur 1
Figuur 1. Een 3D overzicht van de MTL, opgespoord met behulp van het huidige protocol. Structuren die hier getoond worden de AMY (rood), de HC (blauw), de Volksrepubliek China (geel), de ERC (roze), en de PHC (groen) .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Amygdala

  1. Anterieure Schijfjes van de AMY
    1. Identificeer het eerste deel van de AMY waarin de limen insula aanvankelijk verschijnt, waar de witte stof verbinding tussen de frontale en temporale kwabben is continu en zichtbaar 30. In het coronale hebt u de hoekige bundel als de inferolateral grens van de AMY.
    2. Zoek de optisch chiasma als een mijlpaal voor de verschijning van de AMY. Gebruik de axiale en sagittale uitzicht op de AMY onderscheiden in zijn vroege plakjes uit de omliggende uncus. Volg de witte stof-darmkanaal rond de AMY in de axiale oog op de Entorinale gebied 32 te sluiten.
    3. Moving posterieur, het identificeren van de eerste plak waarin de voorste commissuur is continu in beide hemisferen 28, waar de AMY is zichtbaar in zijn typische vorm. Trace de AMY linksom via de Entorinale sulcus als superomedial grens, de denkbeeldige lijn van de fundus van de semianular sulcus langs de witte stof naar de onderste punt van de AMY als inferomedial grens, de temporele stam als lateraal en naar de entorhinale sulcus de tracebestanden 31 voltooien.
  2. Posterior Schijfjes van de AMY
    1. Merk op dat op dit niveau, zowel de AMY en HC zichtbaar in hetzelfde segment (en).
    2. Nog in de coronale uitzicht, het identificeren van de laatste deel van de AMY waar de structuur is superieur aan de mediale uitbreiding van de tijdelijke hoorn van de laterale ventrikel 36 (of de alveus als het ventrikel niet aanwezig is) en lateraal van de uncinate gyrus, de uitstulping van het hoofd van de HC. Controleer de sagittale en axiale uitzicht voor nauwkeurige en consistente tracing.
    3. Trek een denkbeeldige lijn van de fundus van de inferieure circulaire sulcus van de insula aan de optische kanaal, zoals de superieure grens van de AMY 31, die ook onderscheidt het van de grijze stof van de globus pallidus en het putamen.
    4. Trace langsde halvemaanvormige gyrus als superomedial grens zijn exclusief de uncinate gyrus 32. Gebruik de inferieure hoorn van de laterale ventrikel en de tijdelijke steel voor de laterale afbakening.
  3. Opeenvolgende Plakken van de AMY in anterior-posterior richting
    1. Systematisch traceren van de AMY slice-by-slice met de relevante richtlijnen hierboven. Op het voorste gedeelte van de AMY, gebruiken dezelfde grenzen als voor de voorste-meest slice; omgekeerd, aan het achterste gedeelte van de AMY, gebruiken dezelfde grenzen als voor de meest posterieure segment.
    2. Blijf de axiale en sagittale uitzicht in dienst om te helpen definiëren en verder verfijnen van de AMY grenzen.

2. Hippocampus

  1. Het lokaliseren van de HC
    1. Begin het opsporen van de HC als de tijdelijke hoorn van de laterale ventrikel verschijnt langs de inferolateral grens van de AMY. Als de tijdelijke hoorn van de laterale ventrikel is al aanwezig op de vorige plakjes, er rekening mee dat ee aanvang van de HC wordt dan aangegeven door de temporale hoorn van de laterale ventrikel vergroten en stretching superolaterally.
    2. Beëindig het traceren van de HC met zijn laatste verschijning inferomedial de trigone van de laterale ventrikel 31. Gebruiken altijd de alternatieve opvattingen te helpen lokaliseren van de HC en haar grenzen.
  2. Grens Definities van de HC
    1. Bakenen de laterale HC tegen de temporale hoorn. Wanneer de temporele hoorn van de laterale ventrikel niet waarneembaar genoeg uitsluiten een rij voxels van de segmentatie te duiden.
    2. Inferiorly, gebruik dan de hoekige bundel (of haar denkbeeldige verlenging) om de ventriculaire holte om de HC te scheiden van het PHG. Gebruik de alveus samen met de fimbria als de superieure grens. Trace van de HC met dezelfde definities overal.
    3. Daarnaast omvatten de subiculum in de segmentatie zodanig dat het mediaal grenst aan de witte stof bundel van het PHG, superieur uitgelijndmet de curve van de uncus en strekt zich voornamelijk horizontaal vanaf de HC 37. Tracing posterieur, behouden deze definities tot de sulcus calcarinus ingrijpt.
  3. Wijzend op Divisies van de HC
    1. Merk op dat de HC kan worden onderverdeeld in drie segmenten: hoofd, lichaam en staart.
    2. Met de verschijning van de Uncal apex van de overgang van de kop naar het HC HC lichaam en de snelle stijgende en uitbreiding in grootte, die doorgaans samen met het verschijnen van de crus van de fornix, om het uiterlijk van de HC staart betekenen markeren 23,30,38.
  4. Besteed speciale aandacht bij het opsporen van de volgende structuren.
    1. Neem de achterste uncus in de segmentatie.
    2. Laat de choroidea plexus boven de alveus van de segmentatie op de coronale plakjes, hoewel dit misschien niet mogelijk op een lagere resolutie beelden.
    3. Raadpleeg de twee alternatieve uitzicht op de opname van de staart van de c te vermijdenAudate en de pulvinar op de superieure aspect van de HC staart.
    4. Vermijd opname van de fasciculair gyrus van merken zijn ontstaan ​​op het niveau van de crus van de fornix, waarbij aanvankelijk wordt gescheiden van de hippocampus staart door de Fasciola cinerea en dorsaal wordt de grijze stof boven de calcarinus sulcus 32.

Figuur 2
Figuur 2. Een vertegenwoordiger sagittale deel van de MTL opgespoord met behulp van het huidige protocol, blijkt haar werkelijke positie in de hersenen, en de relatieve posities tussen de belangrijkste structuren, dat wil zeggen, de AMY (rood), de HC (blauw), de Volksrepubliek China (geel), de ERC (roze), en de PHC (groen).

3. Parahippocampus Gyrus

  1. Wijzend op Divisies van het PHG
    1. Merk op dat de PHG can worden onderverdeeld in twee grote segmenten: het voorste PHG (dwz, de Volksrepubliek China en ERC), en de achterste PHG (dwz de PHC).
    2. Merk op dat in het voorste segment, de Volksrepubliek China eerder dan de ERC verschijnt en flankeert het zijdelings via haar hele cursus.
    3. Na de ERC verdwijnt, er rekening mee dat de Volksrepubliek China subsumes zijn plaats op de PHG en blijft gedurende 3 mm.
    4. Voorbij dit segment, traceren van de achterste PHG, waar de PHC neemt de breedte van het PHG tot het einde 30.
  2. Anterieure Plakken van het PHG
    1. Definieer het eerste deel van de Volksrepubliek China met de verschijning van de CS 25,39. Voor het begin van de ERC, traceren van de Volksrepubliek China van de mediale rand van de laterale bank van het CS aan de laterale fundus van de gyrus van Schwalbe, of die van de mediale een als twee gyri van Schwalbe aanwezig zijn, of het midden van de dorsale temporopolar oppervlak in de afwezigheid van deze gyrus 25,39.
    2. Start om de ERC 5 mm een ​​tracenterior de limen insula 40,41.
    3. Verder opsporen van de ERC met de fundus van de mediale temporopolar sulcus van het hoogste uiteinde 40 en de fundus van de halfringvormige sulcus na AMY weergegeven, of het punt waar de denkbeeldige verlenging van de hoekige bundel aan de ventriculaire holte als de halfringvormige sulcus onderscheiden 25. Merk op dat het zich caudaal de ventriculaire holte of het pial oppervlak direct voldoen.
    4. De grens tussen de Volksrepubliek China en de ERC kan variëren van slice te snijden.
      1. Wanneer het CS is diep (≥ 1,5 cm), traceren van de Volksrepubliek China van de mediale rand van de mediale bank van deze sulcus, tot aan het midden van de laterale bank 25.
      2. In gevallen met een gewone CS (diepte van 1-1,5 cm), traceren van de Volksrepubliek China als het gebied vanaf het midden van de mediale bank van het onderpand sulcus aan de mediale uiteinde van de laterale bank van de sulcus 25.
      3. Met <em> ondiepe CS (<1 cm), traceren van de Volksrepubliek China van de fundus van deze sulcus tot aan het midden van de kroon van de spoelvormige gyrus 25.
    5. Als de CS wordt onderbroken, gewoonlijk op het niveau van de Uncal apex door een kleine winding die uit de fundus, sporen China naar de fundus van de laterale sulcus 25. Inclusief of exclusief witte stof volgens de doelstelling voor de ROI.
    6. Trace van de ERC tot 1,5 mm achter de Uncal apex, of het einde van de gyrus intralimbicus 42.
    7. Verleng de tracering van de Volksrepubliek China mediaal naar de plaats van de ERC na beëindiging daarvan, waar de definities voor de laatstgenoemde toepassing blijven tot 4,5 mm achter de Uncal apex, of het einde van de gyrus intralimbicus 42 bezetten. De Volksrepubliek China wordt dan vervangen door de PHC 25,30.
  3. Posterior Schijfjes van het PHG
    1. Start de PHC sporen op de achterste segment naar het einde van de Volksrepubliek China, tot 4 mm achter thij het ​​einde van de HC staart 32. Alternatieve definities van de literatuur beschreven onder discussie. Opnieuw opnemen of uitsluiten witte stof afhankelijk van het doel.
    2. Bakenen de PHC met dezelfde methode in het achterste gedeelte van de Volksrepubliek China beschreven na het verdwijnen van de ERC. Ook gebruik maken van de witte stof van de cingulum als de superieure grens eenmaal is gebleken. Ga tracing op deze manier tot het verschijnen van de calcarinus sulcus, die de PHC superomedially beperkt de inferieure rand van de sulcus 30.
    3. Moet een mini-sulcus verschijnen voor de opkomst van de sulcus calcarinus, opnemen in de segmentatie, maar wees voorzichtig in het differentiëren van de calcarinus sulcus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustratie van de mogelijke verschillen tussen Handmatige en automatische segmentatie

Een 3D-model van de handmatige segmentatie voor de AMY, HC, China, ERC en PHC is getoond in figuur 1, en ​​een sagittale doorsnede van de segmentatie wordt getoond in figuur 2. Ter illustratie van extreme mogelijke verschillen tussen handmatige en automatische traces, plakken van de AMY uit een representatieve onderwerp met foutieve geautomatiseerde segmentatie werden afgewisseld met handmatige tracing (zie figuur 3). Terwijl automatische segmentatiesoftware kon het kernlichaam van de structuur herkennen, de segmentatie nogal ruw, waardoor onderschatting van het AMY volume opzichte van handmatige segmentatie.

Ter illustratie worden de resultaten van manuele tracering bij een persoon vergeleken met de resultaten van automatische segmentatie uzingen een automatische segmentatie programma 43-45; lag de focus op de AMY en de HC. De AMY en HC volumes opgespoord door de twee methoden werden gecorrigeerd voor de intracraniële volume (ICV) van het onderwerp (tabel 1), met de volgende twee stappen: 1) De volumetrische ploegen de AMY en HC segmentaties het handboek segmentatiesoftware automatisch berekend het volume statistieken voor gelabelde gebieden. Deze informatie werd teruggevonden in "Volume en statistiek" in het Segmentatie menu wanneer de to-be-segmentatie onderzocht samen met zijn grijswaardenbeeld werd ingevoerd in de software. 2) ICV berekening: Dit werd bewerkstelligd in drie stappen, met drie programma's in een standaard automatische segmentatiesoftware 46. Een extractie werd gebruikt om het hersenvolume van het originele beeld te extraheren, strippen van niet-hersenweefsel zoals de schedel. Een gedeeltelijke volume extractie proces werd gebruikt om de cerebrospinale vloeistof (CSF), de grijze stof te scheiden, ende witte stof. Tot slot werd een statistische procedure gebruikt om een ​​samenvatting van de partiële volumes aan de ICV voor het onderwerp te krijgen.

Figuur 3
Figuur 3. Een extreem voorbeeld van de mogelijke verschillen tussen de resultaten van manuele tracing (A) en automatische segmentatie (B). Afbeelding toont een coronale plak tegen het voorste uiteinde van de AMY. Zoals uit de vergelijking, automatische segmentatie software alleen opgenomen een klein deel van de linker AMY gaat voorbij aan meer dan de helft van het weefsel dat kan worden gezien als onderdeel van de AMY expert menselijk oog; Vertaald onderschatting, maar in mindere mate ook voor in het juiste AMY.

Hoewel Figuur 3 toont een voorbeeld van extreme mismatch tussen handmatige en geautomatiseerde opsporing, de mogelijkheid voor underestimat ion van volume door geautomatiseerde segmentatie bestaat nog steeds 47. Dergelijke verschillen worden in Tabel 1 hieronder, waarin de resultaten van handmatige en automatische tracering van de AMY en HC vergelijkt.

Tabel 1
Tabel 1. Representatieve volumetrische resultaten van de bilaterale AMY en de HC van een enkel onderwerp, van handarbeiders tracing met behulp van het huidige protocol en automatische segmentatie. Automatische segmentatie is het volume van elk van de vier structuren vergeleken onderschat. Gerectificeerd volume werd berekend als de verhouding tussen volume en Voxel intracraniële volume (ICV). Voor dit onderwerp, ICV = 1.446.616,73 mm 3. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

jove_content "> Uit deze resultaten blijkt dat automatische segmentatie software kunnen staat om een ​​redelijke lokalisatie van de MTL structuren, maar dat de resultaten van de segmentatie verder kan worden gemodificeerd en verfijnd door handmatige aanpassing van een hogere nauwkeurigheid voldoen .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Traditioneel is handmatige segmentatie beschouwd als de gouden standaard door vele onderzoekers. Niettemin heeft een nauwkeurige afbakening van de individuele structuren bemoeilijkt door de sterk variabele morfologie van de MTL structuren, en de gewoonlijk zwakke MRI contrast van deze structuren tegen de omringende zenuwweefsel en niet-neurale gebieden. Historisch gezien zijn er tegenstrijdige beschrijvingen in de literatuur enkele MTL structuren. In sommige gevallen segmenteren China bijvoorbeeld de zekerheid sulcus is beschreven als onderbroken 40,41, maar eerder in andere literatuur beschreven als een korte CS niet groter is dan het niveau van de limen insulae 30. Dit verschil in interpretatie heeft geleid tot verschillende anterior grens definities voor de Volksrepubliek China, en dit zou kunnen verklaren voor een deel waarom de verschillen zijn waargenomen in segmentaties van individuele structuren in verschillende studies. Dit is een aspect van segtatie waar handmatige tracing unieke voordelen kan bieden, want visueel onderzoek zorgt voor aanpassing, die moeilijk te implementeren in automatische segmentatie. Dit kan ook worden geïllustreerd aan de criteria die in het huidige protocol af te bakenen van de Volksrepubliek China en de ERC. Van de nota, echter, sommige onderzoekers hebben voorgesteld om altijd de mediale rand van de Volksrepubliek China te definiëren als het middelpunt van de mediale oever van de CS, ongeacht sulcus diepte 30. Wat de achterste PHC, vanwege de soms dubbelzinnige grens van de achterste rand PHC worden verschillende definities beschreven in de bestaande literatuur. In het huidige protocol is de grens na de beëindiging van de HC staart gebruikt om de gangbare praktijk van het meten van de PHC langs de HC zowel anatomisch 32 en functioneel onderzoek 48 weerspiegelen. Echter, de achterste rand PHC ook gedefinieerd als zijnde gelegen meer naar voren, 1,5 mm achter de crus van de fornix 42 en de laatstesegment waarin het HC gelegen inferomedially de trigone van de laterale ventrikel 30.

Afhankelijk van het doel van de ROI en de resolutie van het beeld, zouden de onderzoekers kiezen in-of exclusief de witte stof in de segmentatie. Bijvoorbeeld, toevoeging van witte stof geschikt voor gebruik in ROI fMRI, vanwege typisch lagere resoluties van de functionele opzichte van anatomische scans. Een voorbeeld hiervan wordt aangeboden door een eerdere studie 1, die een MTL schijfje toont met een 4 x 4 mm raster overlay (een typisch fMRI resolutie) waar het scheiden van witte stof en grijze stof zou onmogelijk zijn. In anatomisch onderzoek echter een witte stof / grijze stof scheiding wordt gewoonlijk uitgevoerd, maar zelfs in anatomisch onderzoek is het zinvol om de grenzen af ​​te bakenen als de structuren aangrenzend opgespoord, wat kan leiden tot het opnemen van bepaalde witte stof. Als het uitsluiten van witte stof heeft de voorkeur, het traceren binnen de boundaries, in plaats van hen kan de segmentatie aan het volume witte stof vermijden.

Het doel van het huidige protocol is om te illustreren tracing richtlijnen in een van de deelnemers, maar bij de uitvoering van een segmentatie protocol voor onderzoeksdoeleinden, moet de betrouwbaarheid assessments worden berekend om te controleren of traces zijn consistent binnen en tussen tracers. Afhankelijk van het doel van de studie, zijn er verschillende modellen die kunnen worden bepaald inter-en intra-beoordelaarsbetrouwbaarheid 49 voor handmatige segmentatie traces. Voor vergelijkingen tussen methoden, moet intraclasscorrelatie coëfficiënten worden beoordeeld 50.

Het voordeel van handmatige segmentatie van MRI-gegevens is het potentieel voor een hogere nauwkeurigheid en aanpassingsvermogen toegestaan ​​door de flexibiliteit bij het opsporen en / of het maken van aanpassingen op basis van kennis van de anatomie in uitgebreide richtlijnen geïmplementeerd. Deze flexibiliteit kan automatische tracering aanvullen. Bovendien,het gebruik van MRI in vivo hersenen zoals in het huidige voorbeeld maakt methodologische voordelen zoals longitudinaal onderzoek, die niet mogelijk is met andere methoden (bijv.. post mortem 51). Hoewel het moeilijk kan zijn om cytoarchitecture vertalen naar MR-beelden, zoals erkend in een recent artikel 42, kan het gebruik van opmerkelijke monumenten contextuele richtlijnen die bruikbaar over onderwerpen te verstrekken. In het segmenteren van de hele MTL, wordt een tracer gegeven context en vertrouwdheid met de omliggende structuren, die een mate van aanpassingsvermogen en flexibiliteit die het traceren van de nauwkeurigheid kan verhogen toelaat. Zoals we schetsen in ons protocol, zijn er inconsistenties in de bestaande literatuur met betrekking tot de grenzen van MTL structuren. Handmatige segmentatie biedt flexibiliteit bij de uitvoering van het opsporen van richtlijnen, die niet zo gemakkelijk bereikbaar met automatische segmentatie algoritmen. Daarnaast is het voordeel van het hebben van kennis van relevante anatomische oriëntatiepunten isOok relevant als automatische segmentatie mislukt, zodat corrigerende maatregelen kunnen worden genomen op basis van goed begrip traceren richtlijnen voor de grenzen van MTL (sub) gebieden, zoals beschreven in ons protocol.

Hoewel de snelheid en efficiëntie verhogen met de opleiding, een praktische beperking van handmatige segmentatie van hersenstructuren is dat het aanvullende expertise in anatomie van de hersenen en een aanzienlijke inzet van tijd en inspanning vergt. Vandaar dat in het streven naar een hoger rendement, geautomatiseerde segmentatie programma's worden ook als alternatief gebruikt voor de ROI segmentatie. Echter, als de resultaten van manuele en automatische segmentatie in de MTL geïllustreerde hier, kan de probabilistische schatting dienst van automatische segmentatie software minder preciese dan handmatige aanpassing in deze hersengebieden. De standaard software die in het huidige protocol is een van verscheidene algemene opties 34, maar de potentiële voordelen en nadelen van handmatige segmentatie compared automatische segmentatie vergelijkbaar ongeacht de gekozen automatische segmentatie software.

Kortom, onze mening is dat handmatige en automatische segmentatie kan worden gebruikt als aanvullende methoden. Wij stellen voor dat de automatische tracering resultaten worden gecontroleerd en handmatig verfijnd, indien nodig, door deskundige tracers. Het huidige protocol biedt een set van richtlijnen voor handmatige tracering van de MTL structuren op hoge-resolutie MR beelden. Door gebruik te maken van de fijnere resolutie van de huidige beelden kunnen bouwwerken en monumenten nauwkeurig worden vastgelegd, zodat de hier gepresenteerde richtlijnen kunnen worden toegepast om beelden van een groot aantal resoluties. Samen met het bijbehorende beeldmateriaal, wordt dit werk zal naar verwachting zorgen voor en bevorderen van een beter begrip van het bruto anatomie van de MTL structuren, en de goedkeuring van handmatige segmentatie stimuleren, hetzij als de belangrijkste methode van MTL segmentatie of als een aanvullende methode om automatisch segmentatie.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ITK-SNAP ITK-SNAP Team at University of Pennsylvania and University of Utah ITK-SNAP v2.2
FSL Functional Magnetic Resonance Imaging of the Brain (FMRIB) Analysis Group FSL v4.1
Siemens Magnetom Trio 3T MR Scanner Siemens Magnetom Trio 3T

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Amaral, D. G. Introduction: what is where in the medial temporal lobe. Hippocampus. 9, 1-6 (1999).
  2. Squire, L. R., Zola-Morgan, S. The medial temporal lobe memory system. Science. 253 (5026), 1380-1386 (1991).
  3. Eichenbaum, H., Otto, T., Cohen, N. J. The hippocampus: what does it do. Behavioral & Neural Biology. 57 (1), 2-36 (1992).
  4. Henke, K., Buck, A., Weber, B., Wieser, H. G. Human hippocampus establishes associations in memory. Hippocampus. 7 (3), 249-256 (1997).
  5. Tulving, E., Markowitsch, H. J. Episodic and declarative memory: role of the hippocampus. Hippocampus. 8 (3), 198-204 (1998).
  6. Dolcos, F., Iordan, A. D., Dolcos, S. Neural correlates of emotion–cognition interactions: a review of evidence from brain imaging investigations. Journal of Cognitive Psychology. 23 (6), 669-694 (2011).
  7. Davidson, R. J., Irwin, W. The functional neuroanatomy of emotion and affective style. Trends in Cognitive Sciences. 3 (1), 11-21 (1999).
  8. Lindquist, K. A., Wager, T. D., Kober, H., Bliss-Moreau, E., Barrett, L. F. The brain basis of emotion: a meta-analytic review. The Behavioral and Brain Sciences. 35 (3), 121-143 (2012).
  9. Phan, K. L., Wager, T., Taylor, S. F., Liberzon, I. Functional neuroanatomy of emotion: a meta-analysis of emotion activation studies in PET and fMRI. Neuroimage. 16 (2), 331-348 (2002).
  10. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19, 513-531 (2003).
  11. Zald, D. H. The human amygdala and the emotional evaluation of sensory stimuli. Brain Research Reviews. 41, 88-123 (2003).
  12. DeYoung, C. G., Hirsh, J. B., Shane, M. S., Papademetris, X., Rajeevan, N., Gray, J. R. Testing predictions from personality neuroscience: brain structure and the big five. Psychological Science. 21 (6), 820-828 (2010).
  13. Visser, P. J., Verhey, F. R., Hofman, P. A., Scheltens, P., Jolles, J. Medial temporal lobe atrophy predicts Alzheimer’s disease in patients with minor cognitive impairment. Journal of Neurology, Neurosurgery, & Psychiatry. 72 (4), 491-497 (2002).
  14. Ezekiel, F., et al. Comparisons between global and focal brain atrophy rates in normal aging and Alzheimer disease. Alzheimer Disease & Associated Disorders. 18 (4), 196-201 (2004).
  15. de Leon, M. J., et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer’s disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145 (2007).
  16. Boccardi, M., et al. Survey of protocols for the manual segmentation of the hippocampus: preparatory steps towards a joint EADC-ADNI harmonized protocol. Journal of Alzheimer's Disease. 26, 61-75 (2011).
  17. Konrad, C., Ukas, T., Nebel, C., Arolt, V., Toga, A. W., Narr, K. L. Defining the human hippocampus in cerebral magnetic resonance images-an overview of current segmentation protocols. Neuroimage. 47 (4), 1185-1195 (2009).
  18. Hasboun, D., et al. MR determination of hippocampal volume: comparison of three methods. American Journal of Neuroradiology. 17 (6), 1091-1098 (1996).
  19. Pantel, J., et al. A new method for the in vivo volumetric measurement of the human hippocampus with high neuroanatomical accuracy. Hippocampus. 10, 752-758 (2000).
  20. Entis, J. J., Doerga, P., Barrett, L. F., Dickerson, B. C. A reliable protocol for the manual segmentation of the human amygdala and its subregions using ultra-high resolution MRI. Neuroimage. 60 (2), 1226-1235 (2012).
  21. Goncharova, I. I., Dickerson, B. C., Stoub, T. R., deToledo-Morrell, L. MRI of human entorhinal cortex: a reliable protocol for volumetric measurement. Neurobiology of Aging. 22, 737-745 (2001).
  22. Watson, C., et al. Anatomic basis of amygdaloid and hippocampal volume measurement by magnetic resonance imaging. Neurology. 42 (9), 1743-1750 (1992).
  23. Duvernoy, H. The human hippocampus: functional anatomy, vascularization, and serial sections with MRI. Third Edition. , Springer-Verlag Berlin Heidelberg. (2005).
  24. Amaral, D. G., Witter, M. P. The three-dimensional organization of the hippocampal formation: a review of anatomical data. Neuroscience. 31 (3), 571-591 (1989).
  25. Insausti, R., et al. MR volumetric analysis of the human entorhinal, perirhinal, and temporopolar cortices. American Journal of Neuroradiology. 19 (4), 659-671 (1998).
  26. Dolcos, F., LaBar, K. S., Cabeza, R. Interaction between the amygdala and the medial temporal lobe memory system predicts better memory for emotional events. Neuron. 42 (5), 855-863 (2004).
  27. Yushkevich, P. A., et al. User-guided 3D active contour segmentation of anatomical structures: significantly improved efficiency and reliability. Neuroimage. 31 (3), 1116-1128 (2006).
  28. Bonilha, L., Kobayashi, E., Cendes, F., Li, M. L. Protocol for volumetric segmentation of medial temporal structures using high-resolution 3-D magnetic resonance imaging. Human Brain Mapping. 22 (2), 145-154 (2004).
  29. Bronen, R. A., Cheung, G. Relationship of hippocampus and amygdala to coronal MRI landmarks. Magnetic Resonance Imaging. 9 (3), 449-457 (1991).
  30. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of temporopolar, perirhinal, entorhinal and parahippocampal cortex from high-resolution MR images: considering the variability of the collateral sulcus. Cerebral Cortex. 12 (12), 1342-1353 (2002).
  31. Pruessner, J. C., et al. Volumetry of hippocampus and amygdala with high-resolution MRI and three-dimensional analysis software: minimizing the discrepancies between laboratories. Cerebral Cortex. 10 (4), 433-442 (2000).
  32. Duvernoy, H. The human brain: surface, three-dimensional sectional anatomy with MRI, and blood supply. Second Edition. , Springer-Verlag Wien. (1999).
  33. Amaral, D. G., Lavenex, P., et al. in The hippocampus book. Hippocampal neuroanatomy. , Oxford University Press. (2006).
  34. Blaizot, X., et al. The human parahippocampal region: I. temporal pole cytoarchitectonic and MRI correlation. Cerebral Cortex. 20 (9), 2198-2212 (2010).
  35. Ding, S. -L., Van Hoesen, G. W. Borders, extent, and topography of human perirhinal cortex as revealed using multiple modern neuroanatomical and pathological markers. Human Brain Mapping. 31 (9), 1359-1379 (2010).
  36. Ding, S. -L., Van Hoesen, G. W., Cassell, M. D., Poremba, A. Parcellation of human temporal polar cortex: a combined analysis of multiple cytoarchitectonic, chemoarchitectonic, and pathological markers. The Journal of Comparative Neurology. 514 (6), 595-623 (2009).
  37. Frankó, E., Insausti, A. M., Artacho-Pérula, E., Insausti, R., Chavoix, C. Identification of the human medial temporal lobe regions on magnetic resonance images. Human Brain Mapping. 35 (1), 248-256 (2014).
  38. Lehmann, M., et al. Atrophy patterns in Alzheimer's disease and semantic dementia: a comparison of FreeSurfer and manual volumetric measurements. Neuroimage. 49 (3), 2264-2274 (2010).
  39. Winterburn, J. L., et al. A novel in vivo atlas of human hippocampal subfields using high-resolution 3T magnetic resonance imaging. Neuroimage. 74, 254-265 (2013).
  40. Malykhin, N. V., Bouchard, T. P., Ogilvie, C. J., Coupland, N. J., Seres, P., Camicioli, R. Three-dimensional volumetric analysis and reconstruction of amygdala and hippocampal head, body and tail. Psychiatry research. Neuroimaging. 155 (2), 155-165 (2007).
  41. Patenaude, B., Smith, S. M., Kennedy, D. N., Jenkinson, M. A Bayesian model of shape and appearance for subcortical brain segmentation. Neuroimage. 56 (3), 907-922 (2011).
  42. Smith, S. M., et al. Advances in functional and structural MR image analysis and implementation as FSL. Neuroimage. 23, (2004).
  43. Woolrich, M. W., et al. Bayesian analysis of neuroimaging data in FSL. Neuroimage. 45, (2009).
  44. Smith, S. M. Fast robust automated brain extraction. Human Brain Mapping. 17 (3), 143-155 (2002).
  45. Morey, R. A., et al. A comparison of automated segmentation and manual tracing for quantifying hippocampal and amygdala volumes. Neuroimage. 45 (3), 855-866 (2009).
  46. Baldassano, C., Beck, D. M., Fei-Fei, L. Differential connectivity within the parahippocampal place area. Neuroimage. 75, 228-237 (2013).
  47. Shrout, P. E., Fleiss, J. L. Intraclass correlations: uses in assessing rater reliability. Psychological Bulletin. 86 (2), 420-428 (1979).
  48. Bland, J. M., Altman, D. G. A note on the use of the intraclass correlation coefficient in the evaluation of agreement between two methods of measurement. Computers in Biology and Medicine. 20, 337-340 (1990).
  49. Yushkevich, P. A., et al. A high-resolution computational atlas of the human hippocampus from postmortem magnetic resonance imaging at 9.4 T. Neuroimage. 44 (2), 385-398 (2009).

Tags

Neurowetenschappen Anatomie Segmentatie Medial Temporal Lobe MRI Manual Tracing amygdala Hippocampus Perirhinal Cortex entorhinalschors parahippocampus Cortex

Erratum

Formal Correction: Erratum: A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures
Posted by JoVE Editors on 09/01/2014. Citeable Link.

A correction was made to A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. Table 1 and its legend were updated. References 10 and 14 were also updated.

The references were updated from:

  1. Wager, T. D. & Smith, E. E. Neuroimaging studies of working memory: a meta-analysis. Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience. 3(4), 255-274 (2003).
  1. Scheltens, Ph, et al. Atrophyofmedialtemporallobeson MRIin 'probable' Alzheimer's disease and normal ageing: diagnostic value and neuropsychological correlates. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 55(10), 967-972, (1992).

to:

  1. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., & Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19 (3), 513-31, doi:10.1016/S1053-8119(03)00078-8 (2003).
  1. de Leon, M. J. et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer's disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145, doi:10.1196/annals.1379.012 (2007).

Table 1 had its legend updated from:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has underestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and Intracranial volume (ICV). For this subject, ICV = 1446616.73 mm3.

to:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has misestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and ICV. For this subject, ICV = 1599482.11 mm3. Please click here to view a larger version of this figure.

Een uitgebreide protocol voor handmatige segmentatie van de mediale temporale lob Structures
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moore, M., Hu, Y., Woo, S., O'Hearn, … More

Moore, M., Hu, Y., Woo, S., O'Hearn, D., Iordan, A. D., Dolcos, S., Dolcos, F. A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. J. Vis. Exp. (89), e50991, doi:10.3791/50991 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter