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 omfattande protokoll för manuell segmentering av den mediala temporalloben strukturer

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

Föreliggande dokument beskriver ett omfattande protokoll för manuell spårning av den uppsättning av områden i hjärnan innefattande den mediala tinningloben (MTL): amygdala, hippocampus, och de tillhörande parahippocampal regioner (perirhinal, entorhinal och parahippocampal korrekt). Till skillnad från de flesta andra spåra protokoll finns, oftast med fokus på vissa MTL områden (t.ex., amygdala och / eller hippocampus), den integrativa perspektiv som antagits av dessa riktlinjer för spårning möjliggör tydlig lokalisering av alla MTL delområden. Genom att integrera information från många olika källor, bland annat ännu existerande spårning protokoll separat rikta olika MTL strukturer, histologiska rapporter och hjärnan atlaser, och med ett komplement till belysande visuellt material, ger det nuvarande protokollet en noggrann, intuitiv och praktisk guide för att förstå MTL anatomi. Behovet av sådana spårning riktlinjerbetonas också genom att illustrera eventuella skillnader mellan automatiska och manuella segmenteringsprotokoll. Denna kunskap kan tillämpas mot forskning som innefattar inte bara strukturella undersökningar MRI utan även strukturella-funktionella colocalization och fMRI-signalen extraktion från anatomiskt definierade ROI, friska och kliniska grupper.

Introduction

Den mediala temporalloben (MTL), en förmodad område på den högsta nivån av integration av sensorisk information 1, har varit en frekvent föremål för riktade analyser. Till exempel hippocampus och de tillhörande parahippocampal områden har studerats utförligt i minnet forskning 2-5. Dessutom har betydelsen av amygdala har ofta betonats i forskning undersöker känslor bearbetning och emotion-kognition interaktioner 6-11. Nyligen har olika MTL regioner också fått uppmärksamhet i det framväxande området personlighets neurovetenskap, som förbinder struktur och funktion av dessa och andra områden i hjärnan till individuell variation i personlighetsdrag 12. Bedömning av anatomi och funktion av de MTL strukturer kan vara viktig för att underlätta diagnos av degenerativa sjukdomar där specifika strukturella och funktionella avvikelser kan förekomma i olika MTL strukturer. Till exempel i Alzheimers sjukdom (AD), signifikant atrofé av entorhinalcortexen och hippocampus kan observeras 13,14, och atrofi av hippocampus kan förutse övergången från mild kognitiv svikt till AD 15. Automatisk segmenteringsalgoritmer har nyligen blivit populära för att segmentera kortikala och subkortikala strukturer, men som med alla verktyg, dessa program oundvikligen stöter på fel i vissa fall. I sådana fall en forskare bör utrustas med både kunskap och riktlinjer för att känna igen de anatomiska gränser MTL strukturer. Tendensen i den befintliga litteraturen har varit att rikta enskilda MTL delområden 16-21, med många protokoll som tenderar att fokusera på hippocampus 16-19.

Till skillnad från de flesta av de tillgängliga publicerade riktlinjer för MTL spårning ger föreliggande protokollet en omfattande uppsättning riktlinjer som möjliggör tydlig lokalisering av alla MTL delområden. Tracing riktlinjer för följande MTL strukturer beskrivs: amygdala (AMY), hippocampus (HC), den perirhinal cortex (PRC), entorhinalcortexen (ERC), och parahippocampal cortex (PHC). Den AMY och HC spåras först, och följs sedan av den parahippocampal gyrus (PHG) strukturer. Observera att den generiska termen HC används här för att hänvisa till den HC bildning, som omfattar HC korrekt, den subiculum, och det bakre segmentet av den uncus 22-24. Observera också att det PHG kan delas in i två segment, den främre delen och den bakre delen. Inom den främre delen av PHG, kan den indelas i den laterala och mediala främre PHG, vars kortikala områden motsvarar Kina och det europeiska forskningsrådet, respektive. Den PHC, den kortikala område i den bakre delen av den PHG, motsvarar den parahippocampal cortex korrekt. För enkelhetens skull kommer vi att använda termerna Kina och ERC för att hänvisa till den laterala och mediala främre PHG, och PHC att hänvisa till den bakre PHG. Den segmetation för varje struktur börjar med en grov lokalisering av de främre och bakre kanter, tillsammans med andra relevanta landmärken, som sedan följs av den faktiska spårning utförs bit-för-bit i frontalplanet, i ett anterior-posterior/rostro-caudal riktning. I samtliga fall är de sagittala och axiella sektionerna kontrolleras noggrant för att hjälpa till lokalisering av anatomiska gränser och landmärken.

Behovet av sådana spårning riktlinjer illustreras också i figurerna uppvisar möjliga skillnaderna mellan utsignalen från automatiska och manuella segmenteringsprotokoll. Fördelen med ett protokoll som beskriver alla MTL strukturerna i det visuella formatet är att variationer i anatomin (t.ex., de säkerheter sulcus [CS] djup) som kan påverka gränsdefinitioner kan beskrivas i sammanhang med den omgivande anatomin (t.ex. , Kina och ERC mediala och laterala gränser varierar i läge beroende på djupet i CS 25

Det nuvarande protokollet är en explicit presentation av riktlinjer som används för MTL spårning i en tidigare undersökning som identifierar differential bidrag från MTL underregioner till minnet förbättrar effekten av känslor 26, anpassad till högre upplösning hjärnan bilder tillåts av den senaste utvecklingen inom strukturell magnetisk resonans (MR) imaging . Spårning illustreras på skanningar som erhållits från en frisk frivillig (kvinna, 24 år), med hjälp av en 3T MR skanner. Anatomiska bilder förvärvades som 3D MPRAGE (TR = 1800 ms, TE = 2,26 ms, FOV = 256 x 256 mm, voxel size = 1 x 0,5 x 0,5 mm) med ett förvärv vinkel parallellt med AC-PC. Om bilddata förvärvas med en annan förvärvs vinkel, t.ex. sned orientering, bör uppgifterna vara regridded till en parallell eller vinkelrät orientering till AC-dator, så att anatomiska landmärke beskrivningar översätter lämpligt. Bilderna har sedan översatts till NIfTI format och bidra till segmente programvara 27 för manuell spårning. Scan data som används i det nuvarande protokollet samlades som en del av en studie som godkändes av Institutional Review Board, och volontären ges skriftligt samtycke.

Genom att dra information från olika separata spårning protokoll för dessa strukturer 18-22,28-31, samt från anatomiska analyser och atlaser 23,32,33, presenterar det nuvarande protokollet en omfattande uppsättning riktlinjer som tar upp brister i den befintliga litteraturen. Kompletteras med åtföljande visuellt material, är detta arbete förväntas främja bättre förståelse för MTL strukturerna, och väcka intresse för framtida forskning att anta manuell segmentering, antingen som en primär metod för MTL spårning eller som supplementary metod för automatisk segmentering. Genom att tillhandahålla en korrekt, intuitiv och praktisk guide för att förstå MTL anatomi, kommer detta protokoll att hjälpa forskarna identifiera var alla MTL underregioner, i förhållande till sina grannstrukturer, även om endast en del MTL strukturer är speciellt riktade för analyser. Detta kommer inte bara att öka lokaliseringsnoggrannhet, men kommer också att hjälpa spårämnen fatta välgrundade beslut i fall av morfologisk variation, vilket är högst troligt i MTL. Dessa riktlinjer kan tillämpas på forskning som innefattar strukturella och / eller funktionella MRI undersökningar av MTL, inklusive volymetriska analyser och hjärna upptäcka avvikelser, samt lokalisera förfaranden för funktionell, anatomisk och tractographic analyser, i friska grupper. Föreliggande protokoll kan också användas för att informera segmentering av MTL strukturer för patienter (t.ex. patienter med atrofi), om de stora anatomiska landmärken är relativt bevarade. Tracing klinisk ämnes "-data kan ta ytterligare tid och ansträngning, beroende på svårighetsgraden av atrofi och / eller anatomiska förändringar.

Det är viktigt att beakta skillnaden mellan gyri och cortex när man definierar ROI. Anatomiskt, gyrus avses här både vit substans och grå substans, medan cortex hänvisar till grå materia bara. Beroende på den avsedda användningen av ROI, kan segmente inkludera vita substansen eller utesluta det.

Vi rekommenderar att spåra som ska utföras i följd, underbyggnad av underbyggnad, en halvklot i taget. Vissa programpaket 34 möjliggör spårning gränser som anges på en skiva som ska klistras in på följande skivor, en funktion som snabbar upp processen. Det är alltid klokt att referera den motsatta halvklotet som behövs, för att kontrollera en samstämmighet mellan de två sidorna (t.ex. att upptäcka anatomiska landmärken). Alternativt, parallell spårning av samma strukturer inom två halvklotets kan också utföras. Oavsett om spårning är sekventiell eller parallell, när processen är klar bör de spårämnen dubbelkolla slutresultatet och göra justeringar som behövs, refererar båda hjärnhalvorna och flera plan vyer. Beroende på erfarenheterna av spårämnet och upplösningen av bilddata, kan manuell segmentering av MTL för friska ämnesuppgifter tar 8-10 timmar eller mer, i fallet med en nybörjare spårämne, till 3-4 timmar, i Vid en erfaren en.

Figur 1
Figur 1. En 3D-översikt av MTL, spåras med hjälp av det nuvarande protokollet. Strukturer som visas här är den AMY (röd), HC (blå), Kina (gul), Europeiska forskningsrådet (rosa), och PHC (grön) .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Amygdala

  1. Anterior Skivor av den AMY
    1. Identifiera den första bit av AMY där limen isolering först visas, där den vita substansen koppling mellan frontal och temporal loberna är kontinuerlig och synlig 30. I coronal uppfattning, använda vinkel bunt som inferolateral gränsen av AMY.
    2. Leta synnerven chiasm som ett landmärke för utseendet på AMY. Använd den axiella och sagittala vyer att skilja AMY i dess tidiga skivor från den omgivande uncus. Följ den vita substansen vägarna runt AMY i axiell syfte att utesluta entorhinal området 32.
    3. Att flytta posteriort, identifiera den första skivan där den främre kommissuren sker kontinuerligt under båda halvkloten 28, där Amy är synlig i sin typiska form. Spåra AMY moturs med hjälp entorhinal sulcus som superomedial gränsen, den tänkta linjen från fundus av semianular sulcus längs den vita substansen till den sämre spets AMY som inferomedial gränsen, den temporala stammen som gränsen i sidled, och tillbaka till entorhinal sulcus att slutföra spårning 31.
  2. Posterior Skivor av den AMY
    1. Observera att på denna nivå, både Amy och HC är synliga i samma segment (s).
    2. Fortfarande i koronal vy, identifiera den sista bit av AMY där strukturen är överlägsen den mediala förlängning av den temporala hornet av laterala ventrikeln 36 (eller alveus om ventrikeln inte är närvarande) och lateralt om uncinate gyrus, utbuktningen av chefen för HC. Kontrollera sagittal och axiella vyer för korrekt och konsekvent spårning.
    3. Rita en tänkt linje från fundus av underlägsen cirkulär sulcus av isoleringen till optiken kanalen som den överlägsna gränsen av AMY 31, som också särskiljer den från den grå substansen i globus pallidus och putamen.
    4. Trace tillsammansde HALVMÅNFORMIG gyrus som superomedial gränsen och utesluta uncinate gyrus 32. Använd sämre horn av den laterala ventrikeln och den tidsmässiga stammen för den laterala avgränsning.
  3. På varandra följande Skivor av den AMY i Anterior-posterior riktning
    1. Systematiskt spåra AMY slice-med-skiva med hjälp av relevanta riktlinjerna ovan. Vid den främre delen av AMY, använda samma gränser som för den främre-mest slice; omvänt, vid den bakre delen av AMY använder samma gränser som för den bakersta segmentet.
    2. Fortsätt att anställa de axiella och sagittala vyer för att hjälpa till att definiera och förfina de AMY gränser.

2. Hippocampus

  1. Lokalisera HC
    1. Börja spåra HC när den temporala hornet av den laterala ventrikeln visas längs inferolateral gränsen av AMY. Om den tidsmässiga horn av den laterala ventrikeln redan finns på tidigare skivor, notera att the uppkomsten av HC sedan indikeras av tids hornet av den laterala ventrikeln utvidga och stretching superolaterally.
    2. Avsluta spårning av HC med sitt sista framträdande inferomedial till trigonumdelen av den laterala ventrikeln 31. Utnyttjar alltid alternativa åsikter för att lokalisera HC och dess gränser.
  2. Gräns ​​Definitioner av HC
    1. Avgränsa sido HC mot den temporala horn. I de fall där den temporala hornen av den laterala ventrikeln är inte förnimbara nog utesluter en rad av voxlar från segmentering för att beteckna den.
    2. Inferiorly, använd vinkel bunt (eller dess tänkta förlängning) till den ventrikulära kaviteten att separera HC från PHG. Använd alveus tillsammans med fimbria såsom den överlägsna gränsen. Spåra HC med samma definitioner hela.
    3. Dessutom inkluderar subiculum i segmente så att den medialt gränsar till vita substansen bunt av PHG, fint justerasmed kurvan för uncus, och sträcker sig i huvudsak horisontellt från HC 37. Spåra posteriort, underhålla dessa definitioner tills calcarine sulcus ingriper.
  3. Konstaterar Uppdelningar av HC
    1. Observera att HC kan delas in i tre segment: huvud, kropp och svans.
    2. Använd utseendet på OKAL apex för att markera övergången från HC huvudet till HC kroppen, och den snabba uppstigande och expansion i storlek, vilket normalt sammanfaller med utseendet på crus i fornix, för att beteckna utseendet på HC svansen 23,30,38.
  4. Var speciellt uppmärksam vid spårning följande strukturer.
    1. Inkludera den bakre uncus i segmentering.
    2. Utelämna koroidea plexus ovanför alveus från segmente på koronalt skivor, även om detta kanske inte är möjligt på lägre upplösning.
    3. Vi hänvisar till de två alternativa vyer för att undvika införandet av svansen av caudate och pulvinar vid överlägsen aspekt av HC-svans.
    4. Undvik att införande av det fascikulära gyrus genom att notera dess uppkomst vid nivån för den crus av fornix, där det i början är skild från hippocampus svans av Fasciola cinerea och mer posteriort blir grå substans överlägsen den calcarine sulcus 32.

Figur 2
Figur 2. Ett representativt sagittal bit av MTL spåras med hjälp av det nuvarande protokollet, som visar den faktiska positionen i hjärnan, och de relativa positioner bland sina större strukturer, det vill säga, den AMY (röd), HC (blå), Kina (gul), Europeiska forskningsrådet (rosa), och PHC (grön).

3. Parahippocampal Gyrus

  1. Konstaterar sektionerna av PHG
    1. Observera att PHG can delas upp i två huvudsegment: den främre PHG (dvs. Kina och ERC), och den bakre PHG (dvs. PHC).
    2. Observera att i det främre segmentet, verkar Kina tidigare än det europeiska forskningsrådet, och flankerna den i sidled genom hela sin gång.
    3. Efter ERC försvinner, notera att Kina subsumes sin plats på PHG och fortsätter på 3 mm.
    4. Bortom detta segment, spår posterior PHG, där PHC tar över bredden av PHG tills dess ände 30.
  2. Anterior Skivor av den PHG
    1. Definiera den första bit av Kina med utseendet på CS 25,39. Innan starten av det europeiska forskningsrådet, spåra Kina från den mediala kanten av sido stranden av CS till den laterala fundus av gyrus av Schwalbe, eller att den mediala en om två gyri av Schwalbe är närvarande, eller mittpunkten av bröst temporopolar ytan i frånvaro av denna gyrus 25,39.
    2. Börja spåra ERC 5 mm anterior till limen insulaen 40,41.
    3. Fortsätt spårande EFR använder fundus av den mediala temporopolar sulcus såsom överordnad ände 40, och fundus av halvringformig sulcus efter AMY visas, eller den punkt där den tänkta förlängningen av vinkelknippe möter ventrikulär kavitet om halvringformig sulcus är omöjliga att skilja 25. Observera att det sträcker sig inferiorly att möta den ventrikulära kaviteten eller pial ytan direkt.
    4. Gränsen mellan Kina och det europeiska forskningsrådet kan variera från skiva till skiva.
      1. När CS är djup (≥ 1,5 cm), spåra Kina från den mediala kanten av den mediala stranden av detta sulcus, till mittpunkten av dess sidobank 25.
      2. I fall med en vanlig CS (djup av 1-1,5 cm), spåra Kina som området från mittpunkten av den mediala stranden av säkerheter sulcus på den mediala änden av sido stranden av sulcus 25.
      3. Med en <em> ytlig CS (<1 cm), spåra Kina från fundus av detta sulcus till mittpunkten av kronan av spolformade gyrus 25.
    5. När CS avbryts, vanligtvis i nivå med den OKAL spetsen, med en liten gyrus dyker upp från sin fundus, spåra Kina till fundus av den laterala sulcus 25. Inkludera eller exkludera vita substansen i enlighet med målet för avkastning på investeringen.
    6. Spåra ERC till 1,5 mm posteriort om OKAL apex, eller i slutet av gyrus intralimbicus 42.
    7. Utöka spåra Kina medialt att ockupera platsen för Europeiska forskningsrådet efter dess upphörande, där definitionerna för de senare fortsätta att gälla till 4,5 mm posteriort om OKAL apex, eller i slutet av gyrus intralimbicus 42. I Kina är sedan ersättas av PHC 25,30.
  3. Posterior Skivor av den PHG
    1. Börja med att spåra PHC på skiva bakre till slutet av Kina, fram till 4 mm posteriort till tHan avslutar av HC svans 32. Alternativa definitioner från litteraturen beskrives i diskussionsavsnittet. Återigen, inkludera eller exkludera vita substansen beroende på målet.
    2. Avgränsa PHC med hjälp av samma metod som beskrivs i den bakre delen av Kina efter försvinnandet av det europeiska forskningsrådet. Använd även den vita substansen i cingulum som den överlägsna gränsen när den visas. Fortsätt att spåra på detta sätt tills utseendet på calcarine sulcus, och som begränsar PHC superomedially till inferior kanten av sulcus 30.
    3. Skulle en mini-sulcus visas före uppkomsten av calcarine sulcus, ta med det i segmentering, men vara försiktig med att skilja den från calcarine sulcus.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Illustration av eventuella skillnader mellan manuell och automatisk segmentering

En 3D-modell av den manuella segmente för AMY, HC, PRC, ERC och PHC visas i figur 1, och en sagittal sektion av segmentering visas i figur 2. I syfte att illustrera extrema eventuella skillnader mellan manuell och automatisk kurvor, skivor av AMY från ett representativt ämne med felaktig automatisk segmenteades sida vid sida med manuell spårning (se figur 3 nedan). Även automatisk segmente programvara kunde identifiera kärnkroppen av strukturerna, dess segmente var ganska grov, vilket ledde till underskattning av AMY volymen, jämfört med manuell segmentering.

För att illustrera, var resultatet av manuell spårning i ett ämne i jämförelse med de som erhållits från automatisk segmente usjunger en automatisk segmenteringsprogram 43-45; låg fokus på AMY och HC. Amy och HC volymer spåras av de två metoderna har korrigerats för intrakraniell volym (ICV) av ämnet (tabell 1), med hjälp av följande två steg: 1) De volymstatistik för Amy och HC segmente: manuell segmente programvara automatiskt beräknade volymstatistik för märkta områden. Informationen hämtades i "Volym-och statistik" i Segmentemenyn när till-vara-granskat segmentering tillsammans med sin gråskala var matas in i programvaran. 2) ICV Beräkning: Detta åstadkoms i tre steg, med hjälp av tre program i en standard automatisk segmente programvara 46. Extraktionsförfarande användes för att extrahera hjärnan volymen från den ursprungliga bilden, strippning av icke-hjärnvävnad såsom skallen. En partiell volym utvinningsprocessen användes för att separera cerebrospinalvätska (CSF), den grå substansen, ochden vita substansen. Slutligen var en statistik process som används för att sammanfatta de partiella volymer för att erhålla ICV för ämnet.

Figur 3
Figur 3. Ett extremt exempel på de eventuella skillnader mellan resultat från manuell spårning (A) och automatisk segmentering (B). Visas här är en coronal bit mot den främre änden av AMY. Som framgår av jämförelsen, har automatisk segmente programvara redovisas endast en liten del av den vänstra AMY, samtidigt försumma mer än hälften av den vävnad som kan identifieras som en del av AMY till en expert mänskliga ögat; liknande underskattning, men i mindre utsträckning också förekommit i den högra AMY.

Även om Figur 3 visar ett exempel på extrem obalans mellan manuell och automatisk spårning, möjligheten för underestimat ion av volymen genom automatiserad segmente existerar fortfarande 47. Sådana skillnader illustreras i tabell 1 nedan, som jämför resultaten av manuell och automatisk spårning av AMY och HC.

Tabell 1
Tabell 1. Representativa volymetriska resultaten av bilaterala AMY och HC för ett enda ämne, från manuell spårning med hjälp av det nuvarande protokollet och automatisk segmentering. Automatisk segmentering har underskattat volymen på var och en av de fyra strukturerna jämförs. Rättad Volymen beräknades som förhållandet mellan Voxel volym och intrakraniell volym (ICV). För detta ämne, ICV = 1.446.616,73 mm 3. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

jove_content "> Från dessa resultat är det tydligt att automatisk segmentering programvara kan vara i stånd att ge en rimlig lokalisering av MTL strukturer, men att resultatet av dess segmentering kan ytterligare modifieras och förfinas genom manuella justeringar för att möta en högre grad av precision .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Traditionellt har manuell segmente ansetts vara den gyllene standarden av många forskare. Trots detta har en exakt avgränsning av de enskilda strukturerna komplicerats av mycket varierande morfologi av MTL strukturerna, och de vanligtvis svaga MRI kontraster av dessa strukturer mot omgivande nervvävnad och icke-neurala områden. Historiskt sett har det funnits motstridiga beskrivningar i litteraturen för vissa MTL strukturer. I vissa fall av segmentera Kina, till exempel, de säkerheter sulcus har beskrivits som avbröt 40,41, men det har tidigare beskrivits i annan litteratur som en kort CS som inte överstiger nivån på limen Insulae 30. Denna skillnad i tolkning har lett till olika främre gränsdefinitioner för Kina, och detta skulle kunna förklara till viss del varför variationer har observerats i segmenteringar av enskilda strukturer i olika studier. Detta är en aspekt av segförandet där manuell spårning kan ge unika fördelar, eftersom visuell undersökning möjliggör anpassning, vilket är svårt att genomföra i automatisk segmentering. Detta kan också illustreras med de kriterier som används i det nuvarande protokollet för att beskriva Kina och det europeiska forskningsrådet. Notera dock har vissa forskare föreslagit att alltid definiera den mediala gränsen till Kina som mittpunkten av den mediala stranden av CS, oavsett sulcus djup 30. När det gäller den bakre PHC, på grund av den ibland tvetydiga gränsen av den bakre PHC kant, finns flera definitioner som beskrivs i den befintliga litteraturen. I det nuvarande protokollet, är gränsen bortom uppsägning av HC svansen som används för att återspegla den gemensamma praxis att mäta PHC förbi HC i både anatomiska 32 och funktionell forskning 48. Däremot har den bakre PHC kant också definierad som belägen mer anteriort, såsom 1,5 mm posteriort om crus av fornix 42 och som det sistaslice där HC ligger inferomedially till trigonumdelen av den laterala ventrikeln 30.

Beroende på syftet med ROI och upplösningen på bilden, kan forskarna välja att inkludera eller exkludera vita substansen i segmentering. Till exempel kan införandet av vit substans vara lämplig för ROI användning i fMRI, på grund av typiska lägre upplösningar av den funktionella i förhållande till anatomiska genomsökningar. Ett exempel på detta erbjuds av en tidigare studie 1, som visar en MTL skiva med en 4 x 4 mm hjälplinjer (en typisk fMRI upplösning) där separera vit substans och grå substans skulle vara omöjligt. I anatomisk forskning, men en vit substans / grå materia separation utförs vanligtvis, men även i anatomisk forskning är det ibland lättare att avgränsa gränserna om strukturerna spåras intill varandra, vilket kan leda till att det införs vissa vita substansen. Om uteslutande av vita substansen är att föredra, spårning inom boundaries, snarare än på dem, kan justera segmentering för att undvika vita substansen volym.

Målet med det nuvarande protokollet är att belysa spåra riktlinjer i en deltagare, men att genomföra en segmente protokoll för forskningsändamål, bör bedömningar tillförlitlighet beräknas för att kontrollera att kurvor är konsekventa inom och mellan spårämnen. Beroende på målet med studien, det finns flera modeller som kan användas för att bestämma inter-och intra-rater reliability 49 för manuell segmente tracings. För jämförelser mellan metoder bör intraclass korrelationskoefficienter bedömas 50.

Fördelen med manuell segmentering av MR uppgifter är potentialen för ökad precision och anpassningsförmåga tillåts av flexibilitet för att spåra och / eller göra justeringar baserat på kunskaper i anatomi förs i omfattande riktlinjer. Denna flexibilitet kan komplettera automatisk spårning. Dessutomanvändningen av MR-avbildning av in vivo hjärnor såsom i det aktuella exemplet tillåter vissa metodologiska förmåner såsom longitudinell studie, vilket inte skulle vara möjligt i andra metoder (t ex., post mortem 51). Även om det kan vara svårt att översätta cytoarchitecture till MR-bilder, som erkänns i en nyligen papper 42, kan användningen av kända landmärken ger kontextuella riktlinjer som är användbara inom ämnen. I segmentera hela MTL, är ett spårämne givet sammanhang och förtrogenhet med omgivande strukturer som tillåter en grad av anpassningsförmåga och flexibilitet som kan öka spårning noggrannhet. Som vi beskriver i våra protokoll, det finns inkonsekvenser i den befintliga litteraturen rörande gränserna för MTL strukturer. Manuell segmentering ger flexibilitet att genomföra spårning riktlinjer, vilket inte är så lätt kan uppnås genom automatisk segmenteringsalgoritmer. Dessutom är fördelen med att ha kunskap om relevanta anatomiska landmärkenockså relevant om automatisk segmentering misslyckas, så att korrigerande åtgärder kan vidtas utifrån god förståelse för spårning riktlinjer för gränser MTL (under) regioner, som beskrivs i våra protokoll.

Även om hastigheten och effektiviteten ökar med träning, är en praktisk begränsning av manuell segmentering av hjärnstrukturer att det kräver ytterligare kompetens inom hjärnans anatomi och en betydande hängivenhet av tid och ansträngning. Därför, i strävan efter högre effektivitet, automatiserade segmenteringsprogram används också alternativt för ROI segmentering. Men som resultat av manuell och automatisk segmentering i MTL illustrerade här, kan det probabilistiska uppskattningen anställd av automatisk segmentering programvara vara mindre exakt än manuell approximation i dessa områden i hjärnan. Den standard programvara som används i det nuvarande protokollet är ett av flera vanliga alternativ 34, men de potentiella fördelarna och nackdelarna med manuell segmente compared för automatisk segmentering är liknande oavsett vilken programvara som valts för automatisk segmentering.

Sammantaget är vår uppfattning att manuell och automatisk segmentering kan användas som kompletterande metoder. Vi föreslår att automatiska spårningsresultat kontrolleras och manuellt raffinerad, om nödvändigt, av expert spårämnen. Det nuvarande protokollet ger en uppsättning riktlinjer för manuell spårning av MTL konstruktioner på högupplösta MR-bilder. Genom att utnyttja den finare upplösningen av de aktuella bilderna, kan strukturer och landmärken vara riktigt sätt, så att de riktlinjer som presenteras här kan tillämpas på bilder av en mängd olika upplösningar. Tillsammans med de medföljande visuellt material, är detta arbete förväntas ge och främja en bättre förståelse av brutto anatomi MTL strukturerna, och att uppmuntra antagandet av manuell segmentering, antingen som den huvudsakliga metoden för MTL segmentering eller som en kompletterande metod för att automatiskt 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

Neurovetenskap anatomi segmentering Medial Temporal Lobe MRI Manuell spårning Amygdala Hippocampus Perirhinal Cortex entorhinalcortexen 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 omfattande protokoll för manuell segmentering av den mediala temporalloben strukturer
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