Waiting
Login processing...

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

Neuroscience

En omfattende protokoll for manuell segmentering av den mediale tinninglappen 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

Det foreliggende dokumentet beskriver en omfattende protokoll for manuell sporing av settet av hjerneregioner som omfatter den mediale tinninglappen (MTL): amygdala, hippocampus, og de ​​tilknyttede parahippocampal regioner (perirhinal, entorhinal, og parahippocampal riktig). I motsetning til de fleste andre tracing protokoller tilgjengelig, typisk fokusere på visse MTL områder (f.eks, amygdala og / eller hippocampus), integrerende perspektiv vedtatt av dagens tracing retningslinjer tillater klar lokalisering av alle MTL regioner. Ved å integrere informasjon fra en rekke kilder, inkludert bevarte tracing protokoller separat målgruppe ulike MTL strukturer, histologiske rapporter og hjerneatlas, og med supplement av illustrerende visuelle materialer gir den foreliggende protokoll en nøyaktig, intuitiv og praktisk guide for å forstå MTL anatomi. Behovet for slike tracing retningslinjerer også understreket ved å illustrere mulige forskjeller mellom automatisk og manuell segmentering protokoller. Denne kunnskapen kan bli brukt mot forskning som involverer ikke bare strukturelle MR undersøkelser, men også strukturell-funksjonelle colocalization og fMRI signal utvinning fra anatomisk definerte ROIs, hos friske og kliniske grupper likt.

Introduction

Den mediale tinninglappen (MTL), en antatt område av høyeste grad av integrering av sensorisk informasjon 1, har vært en hyppig gjenstand for målrettede analyser. For eksempel, har de hippocampus og tilhørende parahippocampal områder blitt grundig studert i minnet forskning 2-5. Også, har rollen som amygdala vært hyppig vektlagt i forskning undersøke følelser behandling og følelser-kognisjon interaksjoner 6-11. Nylig har ulike MTL regioner også fått oppmerksomhet i det nye feltet av personlighet nevrovitenskap, som forbinder struktur og funksjon av disse og andre områder av hjernen til individuell variasjon i personlighetstrekk 12. Vurdere anatomi og funksjon av MTL strukturer kan være viktig i å tilrettelegge diagnostisering av degenerative sykdommer der spesifikke strukturelle og funksjonelle avvik kan forekomme i ulike MTL strukturer. For eksempel ved Alzheimers sykdom (AD), en signifikanttrofé av entorhinal cortex og hippocampus kan observeres 13,14, og atrofi av hippocampus kan forutsi overgangen fra mild kognitiv svikt til 15 e. Kr. Automatisk segmentering algoritmer har nylig blitt populært for å segmentere kortikale og subkortikale strukturer, men som med alle verktøy, disse programmene uunngåelig oppstår feil i noen tilfeller. I slike tilfeller en forsker skal være utstyrt med både kunnskap og retningslinjer for å gjenkjenne de anatomiske grensene av MTL strukturer. Tendensen i den eksisterende litteraturen har vært å målrette individuelle MTL regioner 16-21, med mange protokoller tending å fokusere på hippocampus 16-19.

I motsetning til de fleste av de tilgjengelige publiserte retningslinjer for MTL tracing gir den foreliggende protokollen et omfattende sett av retningslinjer som gjør det mulig for klar lokalisering av alle MTL regioner. Tracing retningslinjer for følgende MTL strukturer er beskrevet: amygdala (AMY), hippocampus (HC), den perirhinal cortex (PRC), entorhinal cortex (ERC), og den parahippocampal cortex (PHC). Den AMY og HC spores først, og blir deretter fulgt av parahippocampal gyrus (PHG) strukturer. Vær oppmerksom på at fellesbetegnelsen HC er brukt her for å referere til HC-formasjonen, som omfatter HC riktig, den subiculum, og bakre segment av Uncus 22-24. Legg også merke til at PHG kan deles opp i to segmenter, fremre del og den bakre del. Innenfor det fremre parti av PHG, kan det bli ytterligere delt inn i den laterale og mediale fremre PHG, hvis kortikale områder korresponderer med PRC og ERC, respektivt. Den PHC, kortikale område av den bakre delen av PHG, tilsvarer den parahippocampal cortex riktig. For enkelhet grunner, vil vi bruke begrepene PRC og ERC å referere til den laterale og mediale anterior PHG, og PHC å referere til den bakre PHG. Den segmentation for hver struktur begynner med en grov lokalisering av de fremre og bakre kanter, sammen med andre relevante landemerker, som deretter etterfulgt av den faktiske tracing utført skive-for-bit i den koronale planet, i en anterior-posterior/rostro-caudal retning. I alle tilfeller er de sagittale og aksiale seksjoner overvåkes nøye for å hjelpe lokalisering av anatomiske grenser og landemerker.

Behovet for slike tracing retningslinjer er også illustrert i figurene som viser eventuelle forskjeller mellom produksjon av automatiske og manuelle segmenterings protokoller. Fordelen med en protokoll som beskriver alle de MTL strukturer i det gjeldende visuelle formatet er at variasjoner i anatomi (f.eks pantet sulcus [CS] dybde) som kan påvirke grensedefinisjoner kan beskrives i sammenheng med den omkringliggende anatomi (f.eks , PRC og ERC mediale og laterale grenser varierer i plassering avhengig av dybden av CS 25

Denne protokoll er en eksplisitt presentasjon av retningslinjene som brukes for MTL sporing i en tidligere undersøkelse identifisere differensial bidrag fra MTL regioner til minne forsterke effekten av følelser 26, tilpasset høyere oppløsning hjerne bilder tillatt etter den siste utviklingen i strukturell magnetisk resonans (MR) avbildning . Sporing er illustrert på skanninger hentet fra en frisk frivillig (kvinne, 24 år), ved hjelp av en 3T MR skanner. Anatomiske bildene ble anskaffet som 3D MPRAGE (TR = 1800 ms, TE = 2,26 msek; FOV = 256 x 256 mm; voxel size = 1 x 0,5 x 0,5 mm) med et oppkjøp vinkel parallelt med AC-PC. Hvis bildedata tatt med en annen anskaffelsesvinkel, slik som skråstilte orientering, bør dataene være regridded til et parallelt eller vinkelrett orientering til AC-PC, slik at anatomiske landemerke beskrivelser sette riktig. Bildene ble deretter oversatt til Nifti format og innspill til segmentering programvare 27 for manuell sporing. Skannede data som brukes i dagens protokoll ble samlet inn som en del av en studie som ble godkjent av Institutional Review Board, og frivillig gitt skriftlig samtykke.

Ved å trekke informasjon fra ulike separate tracing protokoller for disse strukturene 18-22,28-31, samt fra anatomiske analyser og atlas 23,32,33, presenterer dagens protokollen et omfattende sett av retningslinjer som adresserer uoverensstemmelser i den eksisterende litteraturen. Supplert med de medfølgende visuelt materiale, er dette arbeidet forventes å fremme klarere forståelse av MTL strukturer, og hisse opp interessen for fremtidig forskning i vedta manuell segmentering, enten som en primær metode for MTL sporing eller som et supplementerendery metode for å automatisk segmentering. Ved å gi en nøyaktig, intuitiv og praktisk guide for å forstå MTL anatomi, vil denne protokollen hjelpe forskerne identifisere plasseringen av alle MTL underregioner, i forhold til sine nabostrukturer, selv når bare noen MTL strukturer er spesielt målrettet for analyser. Dette vil ikke bare øke lokalisering nøyaktighet, men vil også hjelpe tracere ta informerte beslutninger i tilfeller av morfologiske variasjon, noe som er høyst sannsynlig i MTL. Disse retningslinjene kan brukes til forskning som involverer strukturelle og / eller funksjonell MR undersøkelser av MTL, inkludert volumetriske analyser og hjernen anomali deteksjon, samt lokalisere prosedyrer for funksjonell, anatomisk, og tractographic analyser, hos friske grupper. Denne protokoll kan også brukes til å informere segmentering av MTL strukturer for pasienter (f.eks pasienter med atrofi), hvis de store anatomiske landemerker er relativt bevart. Tracing klinisk fags 'data kan ta ytterligere tid og arbeid, avhengig av alvorlighetsgraden av atrofi og / eller anatomiske forandringer.

Det er viktig å vurdere skillet mellom Gyri og ekser når du definerer ROI. Anatomisk, refererer gyrus her til både hvit og grå materie, mens cortex refererer til grå materie bare. Avhengig av den tiltenkte bruken av avkastningen, kanskje segmentations inkluderer hvit substans eller utelukke det.

Det anbefales sporingen utføres sekvensielt, konstruksjonen ved underkonstruksjon, en halvkule av gangen. Visse programvarepakker 34 tillate sporing grenser skissert på en skive som skal limes inn på etterfølgende skiver, en funksjon som setter fart på prosessen. Det er alltid lurt å referere til motstrid halvkule etter behov, for å sjekke for konsistens på tvers av de to sidene (f.eks i å oppdage anatomiske landemerker). Alternativt parallell sporing av de samme strukturer i to halvkules kan også utføres. Uavhengig av om sporing er sekvensiell eller parallell, når prosessen er fullført, skal sporingsstoffene dobbeltsjekke sluttresultatet og foreta justeringer som trengs, refererer begge halvkuler og flere visninger flyet. Avhengig av den erfaring av tracer og oppløsningen av avbildningsdata, kan manuell segmentering av MTL for friske lagt data tar 8-10 timer eller mer, i tilfelle av en nybegynner tracer, i 3-4 timer, i Ved en erfaren en.

Figur 1
Oversikt Figur 1. Et 3D av MTL, spores ved hjelp av denne protokollen. Strukturer som vises her er den AMY (rød), HC (blå), PRC (gul), ERC (rosa), og PHC (grønn) .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

En. Amygdala

  1. Fremre skiver av AMY
    1. Identifiser første bit av AMY der limen insula utgangspunktet vises, der den hvite saken forbindelsen mellom frontal og tinninglappene er kontinuerlig og synlig 30. I den koronale visningen, bruker du vinkel bunt som Inferolaterale grensen av AMY.
    2. Finn chiasma som et landemerke for utseendet på AMY. Bruk aksial og sagittal utsikt å skille AMY i sin tidlige skiver fra den omkringliggende Uncus. Følg hvit substans veiene rundt AMY i aksial sikte på å utelukke entorhinal området 32.
    3. Flytte baktil, identifisere første skive der fremre commissure er kontinuerlig gjennom begge halvkuler 28, hvor AMY er synlig i sin typiske form. Spore AMY mot klokken ved hjelp entorhinal sulcus som superomedial grensen, den imaginære linjen fra fundus av semianular sulcus langs hvit substans til det indre enden av AMY som inferomedial kant, den tidsmessige spindelen som den laterale kant, og tilbake til entorhinal sulcus for å fullføre tracing 31..
  2. Posterior Skiver av den AMY
    1. Merk at på dette nivået, både Amy og HC er synlige i samme skive (r).
    2. Fortsatt i koronale visningen, identifisere den siste bit av AMY der strukturen er bedre enn den mediale forlengelse av tidsmessige horn av lateral ventrikkel 36 (eller alveus hvis ventrikkelen er ikke til stede) og lateral til uncinate gyrus, fremspringet av leder av HC. Kontroller sagittal og aksial utsikt for nøyaktig og konsekvent sporing.
    3. Tegn en tenkt linje fra fundus av mindreverdig sirkulær sulcus av isolasjonen på synskanalen som den overlegne grensen av AMY 31, som også skiller den fra den grå materie av globus pallidus og putamen.
    4. Spore langsde semilunære gyrus som superomedial grensen og utelukke uncinate gyrus 32. Bruk underlegne horn av lateral ventrikkel og det timelige stammen for lateral avgrensning.
  3. Sammenhengende Skiver av den AMY i Anterior-posterior Direction
    1. Systematisk spore AMY slice-by-stykke ved hjelp av de aktuelle retningslinjene ovenfor. På den fremre delen av AMY, bruker de samme grensene som for anterior-mest skive; omvendt, i det bakre parti av AMY, bruker de samme grenser som for den bakre rste skive.
    2. Fortsett å ansette de aksiale og sagittal visninger for å hjelpe definere og avgrense Amy grenser.

2. Hippocampus

  1. Lokalisere HC
    1. Begynn å spore HC når den time horn av lateral ventrikkel vises langs Inferolaterale grensen av AMY. Hvis den temporale horn av lateral ventrikkel er allerede til stede på tidligere skiver, merk at the utbruddet av HC angis da av den timelige horn av lateral ventrikkel forstørret og strekker superolaterally.
    2. Avslutt sporing av HC med sin siste opptreden inferomedial til trigone av den laterale ventrikkel 31. Alltid utnytte alternative visninger for å hjelpe lokalisere HC og dets grenser.
  2. Border Definisjoner av HC
    1. Avgrense den laterale HC mot tinning horn. I tilfeller hvor det timelige horn av lateral ventrikkel er ikke lesbar nok, utelukker en rad av voxel fra segmentering til å betegne det.
    2. Er nedentil, bruk vinkel bunt (eller dens tenkte forlengelse) til den ventrikulære hulrom for å separere hydrokarboner fra PHG. Bruk alveus sammen med fimbria som den overlegne grensen. Spore HC bruker de samme definisjonene hele.
    3. I tillegg inkluderer den subiculum inn i segmentering slik at det medialt grenser hvit substans bunt av PHG, overlegent justerermed kurven av Uncus, og strekker seg hovedsakelig horisontalt fra HC 37.. Tracing baktil, vedlikeholde disse definisjonene til calcarine sulcus griper inn.
  3. Merke seg divisjoner av HC
    1. Legg merke til at HC kan deles inn i tre segmenter: hode, kropp og hale.
    2. Bruk utseendet på uncal apex til markerer overgangen fra HC hodet til HC legemet, samt en hurtig stigende og ekspansjon i størrelse, noe som vanligvis faller sammen med fremkomsten av crus av fornix, for å betegne den utseendet av HC halen 23,30,38.
  4. Vær spesielt oppmerksom når du sporer følgende strukturer.
    1. Inkluder bakre Uncus i segmentering.
    2. Utelate årehinnen plexus over alveus fra segmentering på koronale skiver, selv om dette ikke kan være mulig på lavere oppløsning.
    3. Det henvises til to alternative visninger for å unngå inklusjon av halen av caudate og pulvinar ved den overlegne aspekt av HC halen.
    4. Unngå inkludering av fascikulær gyrus ved å notere den veksten på nivået av den crus av fornix, hvor det innledningsvis er adskilt fra hippocampus halen av Fasciola cinerea og mer baktil blir den grå materie overlegne i forhold til calcarine sulcus 32..

Fig. 2
Figur 2. En representant sagittal bit av MTL spores ved hjelp av denne protokollen, som viser sin faktiske posisjon i hjernen, og de ​​relative posisjoner blant sine store strukturer, dvs. AMY (rød), HC (blå), PRC (gul), ERC (rosa), og PHC (grønn).

Tre. Parahippocampal gyrus

  1. Merke seg divisjoner av PHG
    1. Merk at PHG can deles inn i to hovedsegmenter: anterior PHG (dvs. PRC og ERC), og den bakre PHG (dvs. PHC).
    2. Merk at i den fremre segment, vises PRC tidligere enn ERC, og flankene det sidelengs gjennom hele sin gang.
    3. Etter ERC forsvinner, oppmerksom på at PRC subsumes sin plass på PHG og fortsetter på i 3 mm.
    4. Utover dette segmentet, spor bakre PHG, hvor PHC overtar bredden på PHG inntil dens ende 30.
  2. Fremre skiver av PHG
    1. Definer det første stykket av PRC med utseendet på CS 25,39. Før utbruddet av ERC, spore PRC fra den mediale kanten av lateral bredden av CS til den laterale fundus av gyrus av Schwalbe, eller som av den mediale en hvis to Gyri av Schwalbe er til stede, eller midtpunktet i dorsal temporopolar overflaten i fravær av denne gyrus 25,39.
    2. Begynn å spore ERC 5 mm ennterior til limen insula 40,41.
    3. Fortsett å spore ERC hjelp fundus av den mediale temporopolar sulcus som den overlegne slutten 40, og fundus av semiannular sulcus etter AMY vises, eller det punktet der tenkt forlengelse av vinkel bunt møter ventrikulære hvis semiannular sulcus er utvisket 25. Legg merke til at den strekker seg er nedentil for å møte den ventrikulære hulrom eller pial overflate direkte.
    4. Grensen mellom PRC og ERC kan variere fra skive til skive.
      1. Når CS er dyp (≥ 1,5 cm), spor av PRC fra den mediale kant av den mediale bredden av denne sulcus, til midtpunktet av sin sideveis bank 25..
      2. I tilfeller med en vanlig CS (dybde på 1-1,5 cm), spore PRC som området fra midtpunktet på den mediale bredden av sikkerhet sulcus til den mediale ende av sidebredden av sulcus 25.
      3. Med en <em> grunt CS (<1 cm), spore PRC fra fundus av denne sulcus til midtpunktet på kronen av fusiforme gyrus 25.
    5. Når CS er avbrutt, vanligvis på nivået av den uncal spissen, med et lite gyrus som kommer ut av sin fundus, spore PRC til fundus av lateral sulcus 25.. Inkludere eller ekskludere hvit substans i henhold til målet for avkastning.
    6. Spore ERC inntil 1,5 mm posteriort for uncal apex, eller slutten av gyrus intralimbicus 42.
    7. Forlenge sporing av PRC medialt å okkupere plassen til ERC etter sin oppsigelse, hvor definisjonene for sistnevnte fortsatt gjelde inntil 4,5 mm posteriort for uncal apex, eller slutten av gyrus intralimbicus 42. PRC er da erstattet av den PHC 25,30.
  3. Posterior Skiver av den PHG
    1. Begynn å spore PHC på skive posterior til slutten av PRC, inntil 4 mm posterior til than ende av HC halen 32. Alternative definisjoner fra litteraturen er beskrevet i diskusjonskapittelet. Igjen, inkludere eller ekskludere hvit substans avhengig av målet.
    2. Avgrense PHC ved hjelp av den samme fremgangsmåte som er beskrevet i den bakre delen av PRC etter forsvinningen av ERC. Bruk også den hvite løpet av cingulum som den overlegne grensen når det vises. Fortsett tracing på denne måten til utseendet på calcarine sulcus, noe som begrenser PHC superomedially til mindreverdig kant av sulcus 30..
    3. Skulle en mini-sulcus vises før fremveksten av calcarine sulcus, inkludere den i segmentering, men være forsiktig i å skille den fra calcarine sulcus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustrasjon av mulige forskjeller mellom manuell og automatisk segmentering

En 3D-modell av den manuelle segmentering for AMY, HC, PRC, ERC og PHC er vist i figur 1, og en sagittal seksjon av oppdeling er vist i figur 2.. For det formål å illustrere mulige ekstreme forskjeller mellom manuell og automatisk Sporing, ble skiver av AMY fra en representant lagt med feilaktig automatisert segmentering sidestilt med manuell sporing (se figur 3 nedenfor). Mens automatisk segmentering programvaren var i stand til å gjenkjenne kjernen kroppen av strukturer, sin segmentering var ganske røff, noe som resulterte i en underestimering av AMY volum, sammenlignet med manuell segmentering.

For å illustrere, ble resultatene fra manuell sporing i ett fag sammenlignet med de som oppnås fra automatisk segmentering usynge en automatisk segmentering program 43-45; fokus var på AMY og HC. Amy og HC volumer spores av de to metodene ble også korrigert for intrakranielle volumet (ICV) av faget (Tabell 1), ved hjelp av følgende to trinn: 1) Den volumetriske statistikk av Amy og HC segmentations: manuell segmentering programvare beregnes automatisk volum statistikk for merkede områdene. Denne informasjonen ble hentet i "Volum og statistikk" i Segmentering menyen når å-være-undersøkt segmentering sammen med sin gråtone bildet var innspill til programvaren. 2) ICV Beregning: Dette ble gjort i tre trinn, ved hjelp av tre programmer i en standard automatisk segmentering programvare 46. En utvinningsprosess som brukes til å trekke ut volumet hjernen fra det opprinnelige bildet, stripping av ikke-hjernevevet, for eksempel skallen. En delvis volum ekstraksjonsprosessen ble anvendt for å separere cerebrospinalvæske (CSF), den grå materie, oghvit substans. Til slutt ble en statistikk prosess som brukes til å oppsummere de delvise volumer for å oppnå ICVen for faget.

Figur 3
Fig. 3. Et ekstremt eksempel på de mulige forskjeller mellom resultatene av manuell tracing (A) og automatisk segmentering (B). Vist her er en koronale snitt mot fremre ende av AMY. Som det fremgår av sammenligning har automatisk segmentering programvare kun gjenkjent en liten del av den venstre AMY, mens neglisjere mer enn halvparten av det vev som er identifiserbar som en del av AMY til en ekspert menneskelige øyet; lignende undervurdering, men i mindre grad, også skjedde i retten AMY.

Selv Figur 3 viser et eksempel på ekstrem mismatch mellom manuell og automatisk sporing, muligheten for underestimat ion av volumet av automatiserte segmentering fortsatt eksisterer 47. Slike forskjeller er illustrert i tabell 1 nedenfor, som sammenligner resultatene av manuelle og automatiske sporing av AMY-og HC.

Tabell 1
Tabell 1. Representative volumetriske resultatene av den bilaterale AMY og HC fra et enkelt emne, fra manuell oppsporing ved hjelp av den foreliggende protokoll, og automatisk segmentering. Automatisk segmentering har undervurdert volum av hver av de fire strukturene sammenlignet. Korrigert volum ble beregnet som forholdet mellom Voxel volum og Intrakraniell volum (ICV). For dette temaet, ICV = 1.446.616,73 mm 3. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

jove_content "> Fra disse resultatene er det klart at den automatiske segmentering programvare være i stand til å gi en rimelig lokalisering av MTL strukturer, men at resultatet av dens segmentering kan ytterligere modifiseres og raffineres ved manuelle justeringer for å møte en høyere grad av presisjon .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Tradisjonelt har manuell segmentering blitt regnet som gullstandarden av mange forskere. Ikke desto mindre har en nøyaktig avgrensning av de enkelte strukturer blitt komplisert ved svært variabel morfologi av MTL strukturer, og av de som regel svake MRI-kontrast av disse konstruksjoner mot de omkringliggende neurale vev og ikke-nevrale områder. Historisk sett har det vært motstridende beskrivelser i litteraturen for noen MTL strukturer. I noen tilfeller av segmentering PRC, for eksempel sikkerhet sulcus er blitt beskrevet som avbrutt 40,41, men dette har tidligere blitt beskrevet i annen litteratur som en kort CS, som ikke overstiger nivået på limen insulae 30.. Denne forskjellen i tolkningen har ført til forskjellige fremre grense definisjoner for PRC, og dette kan forklare til en viss grad hvorfor variasjonene har vært observert i segmentations enkelte strukturer på tvers av ulike studier. Dette er et aspekt av segmentmentasjon hvor manuell sporing kan gi unike fordeler, fordi visuell undersøkelse gir mulighet for tilpasning, noe som er vanskelig å gjennomføre i automatisk segmentering. Dette kan også illustreres med de kriteriene som brukes i gjeldende protokoll for å avgrense PRC og ERC. Av notatet, men noen forskere foreslått å alltid definere den mediale grensen av PRC som midtpunktet av den mediale bredden av CS, uavhengig av sulcus dybde 30. Når det gjelder den bakre PHC, på grunn av den ofte tvetydig grensen av den bakre PHC kant, er flere definisjoner som er beskrevet i den eksisterende litteratur. I den aktuelle protokoll, blir grensen utenfor avslutningen av HC halen benyttes til å gjenspeile den vanlige praksis med å måle PHC forbi HC både anatomisk og funksjonell 32 forskning 48.. Imidlertid har den bakre PHC grensen også blitt definert som å være plassert mer anteriorly, som 1,5 mm posteriort for CRU av fornix 42 og som den sisteskive der HC ligger inferomedially til trigone av den laterale ventrikkel 30..

Avhengig av formålet med ROI og oppløsningen på bildet, kan forskerne velge å inkludere eller ekskludere hvit substans i segmentering. For eksempel kan inkludering av hvit substans være passende for bruk i ROI fmri, på grunn av typiske lavere oppløsninger av det funksjonelle forhold til anatomiske skanninger. Et eksempel på dette er tilbudt av en tidligere studie 1, som viser en MTL skive med en 4 x 4 mm rutenett (en typisk fMRI oppløsning) hvor skille hvit og grå materie ville være umulig. I anatomiske undersøkelser har imidlertid en hvit substans / grå substans separasjon utføres vanligvis, men selv i anatomiske undersøkelser er det ofte lettere å avgrense grenser hvis strukturer er spores contiguously, noe som kan føre til at inkludering av en hvit substans. Hvis utelukkelse av hvit substans er å foretrekke, sporing innenfor boundaries, heller enn på dem, kan justere segmentering for å unngå white matter volum.

Målet med den aktuelle protokollen er å illustrere tracing retningslinjer i en deltaker, men i å implementere en segmentering protokoll for forskningsformål, bør pålitelighetsvurderingene beregnes for å verifisere at tracings er konsistente innenfor og på tvers av sporstoff. Avhengig av målet med studien, er det flere modeller som kan brukes til å bestemme inter-og intra-rater reliabilitet 49 for manuell segmentering tracings. For sammenligninger mellom metoder, bør intraclass korrelasjonskoeffisienter vurderes 50.

Fordelen med manuell segmentering av MR data er potensialet for økt nøyaktighet og tilpasningsevne som tillates av fleksibilitet i sporing og / eller foreta justeringer basert på kunnskap om anatomi implementert i omfattende retningslinjer. Denne fleksibiliteten kan utfylle automatisk sporing. I tilleggbruk av MR avbildning av hjerne in vivo, for eksempel i det aktuelle eksemplet gir mulighet for noen metodiske fordeler som for eksempel langsgående studien, som kanskje ikke er mulig i andre metoder (f.eks., post mortem 51). Selv om det kan være vanskelig å oversette cytoarchitecture til MR-bilder, som erkjente i en nyere artikkel 42, kan bruk av kjente landemerker gi kontekstuelle retningslinjer som er brukbare på tvers av fag. I segmentere hele MTL, er en tracer gitt kontekst og kjennskap til omkringliggende strukturer som tillater en grad av tilpasningsdyktighet og fleksibilitet som kan øke sporing nøyaktighet. Som vi skissere i vår protokoll, det er uoverensstemmelser i den eksisterende litteraturen om grensene for MTL strukturer. Manuell segmentering gir fleksibilitet i gjennomføringen tracing retningslinjer, som ikke er så lett oppnåelig ved automatiske segmenteringsalgoritmer. I tillegg er fordelen av å ha kjennskap til relevante anatomiske landemerkerogså relevant hvis automatisk segmentering svikter, slik at korrigerende tiltak kan iverksettes basert på god forståelse av tracing retningslinjer for hvilke grenser MTL (sub) regioner, slik det er beskrevet i vår protokoll.

Selv om fart og effektivitet øker med trening, en praktisk begrensning av manuell segmentering av hjernestrukturer er at det krever ekstra kompetanse i hjerneanatomi og en betydelig hengivenhet av tid og krefter. Derfor, i jakten på høyere effektivitet, automatiserte segmentering programmer er også ansatt alternativt for ROI segmentering. Men som resultatene av manuell og automatisk segmentering i MTL illustrert her, kan det sannsynlig estimering ansatt av automatisk segmentering programvare være mindre nøyaktige enn manuell tilnærming i disse områder av hjernen. Den standard programvare som brukes i den aktuelle protokollen er ett av flere vanlige alternativer 34, men de potensielle fordelene og ulempene med manuell segmentering compared til automatisk segmentering er like, uavhengig av programvaren valgt for automatisk segmentering.

Totalt sett er vår oppfatning at manuell og automatisk segmentering kan brukes som komplementære metoder. Vi foreslår at automatiske sporingsresultater kontrolleres og manuelt raffinert, om nødvendig, av ekspert sporstoffer. Den nåværende protokollen gir et sett med retningslinjer for manuell sporing av MTL strukturer på høyoppløselige MR-bilder. Ved å utnytte den finere oppløsning av dagens bilder, kan strukturer og landemerker bli nøyaktig fanget, slik at retningslinjene som presenteres her kan brukes til bilder av et bredt spekter av oppløsninger. Sammen med de medfølgende visuelt materiale, er dette arbeidet forventes å gi og fremme en klarere forståelse av brutto anatomi av MTL strukturer, og å oppmuntre til adopsjon av manuell segmentering, enten som den viktigste metoden for MTL segmentering eller som en komplementær metode for å automatisk segmentering.

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

Neuroscience anatomi segmentering Medial Temporal Lobe MR Manuell Tracing Amygdala Hippocampus Perirhinal Cortex entorhinal cortex Parahippocampal 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.

En omfattende protokoll for manuell segmentering av den mediale tinninglappen 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