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Neuroscience

Alta risoluzione Published: November 10, 2015 doi: 10.3791/51861

Abstract

L'ippocampo umano è stata ampiamente studiata nel contesto della memoria e funzione cerebrale normale e il suo ruolo in diversi disturbi neuropsichiatrici è stato fortemente studiato. Mentre molti studi di imaging trattano l'ippocampo come un'unica struttura neuroanatomica unitaria, è, infatti, costituito da diversi sottocampi che hanno una geometria complessa tridimensionale. Come tale, è noto che questi sottocampi svolgono funzioni specializzate e sono differenzialmente influenzati attraverso il corso di diversi stati patologici. La risonanza magnetica (MR) possono essere utilizzati come un potente strumento per interrogare la morfologia dell'ippocampo e dei suoi sottocampi. Molti gruppi usano software avanzato di imaging e hardware (> 3T) per l'immagine dei sottocampi; tuttavia questo tipo di tecnologia non può essere prontamente disponibili in molti centri di ricerca e di imaging clinico. Per rispondere a questa esigenza, questo manoscritto fornisce un protocollo dettagliato passo-passo per segmentare la lunghezza antero-posterioredell'ippocampo e dei suoi sottocampi: cornu Ammonis (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato (DG), strati radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), e subiculum. Questo protocollo è stato applicato a cinque soggetti (3F, 2M, 29-57 anni, 37 avg.). Affidabilità protocollo è valutata resegmenting destra oa ippocampo fianco di ogni soggetto e calcolando la sovrapposizione con kappa metrica della Dice. Media di Dice kappa (range) attraverso cinque soggetti sono: intero ippocampo, 0,91 (0,90-0,92); CA1, 0,78 (0,77-0,79); CA2 / CA3, 0,64 (,56-0,73); CA4 / giro dentato, 0,83 (0,81-0,85); strati radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68-0,73); e subiculum 0,75 (0,72-0,78). Il protocollo di segmentazione qui presentata fornisce altri laboratori con un metodo affidabile per studiare l'ippocampo e sottocampi dell'ippocampo in vivo utilizzando comunemente disponibili strumenti MR.

Introduction

L'ippocampo è una struttura mediale lobo temporale ampiamente studiato che è associato con la memoria episodica, navigazione spaziale, e altre funzioni cognitive 10,31. Il suo ruolo in malattie neurodegenerative e neuropsichiatrici come del morbo di Alzheimer, la schizofrenia e il disturbo bipolare è ben documentato 4,5,18,24,30. L'obiettivo di questo manoscritto è quello di fornire ulteriori dettagli al protocollo di segmentazione manuale pubblicato in precedenza per 34 sottocampi di ippocampo umani ad alta risoluzione risonanza magnetica (MR) immagini acquisite a 3T. Inoltre, la componente video che accompagna questo manoscritto fornirà ulteriore assistenza ai ricercatori che desiderano implementare il protocollo sui propri set di dati.

L'ippocampo può essere diviso in sottocampi sulla base delle differenze osservate nei citoarchitettoniche istologicamente preparati post mortem provini 12,22. Tali esemplari post mortem definiscono il ground verità per l'identificazione e lo studio di sottocampi dell'ippocampo; tuttavia preparazioni di questo tipo richiedono competenze ed attrezzature per la colorazione specializzate, e sono limitati dalla disponibilità di tessuto fissato, soprattutto nelle popolazioni malate. Imaging in vivo ha il vantaggio di un più ampio pool di soggetti, e presenta anche la possibilità di follow gli studi e le modifiche di osservazione nelle popolazioni. Anche se è stato dimostrato che intensità di segnale a ex vivo immagini RM T2-pesate riflettere densità cellulare 13, è ancora difficile individuare i confini indiscussi tra sottocampi utilizzando esclusivamente intensità di segnale MR. In quanto tale, sono stati sviluppati una serie di approcci diversi per identificare dettagli a livello di istologia sulle immagini RM.

Alcuni gruppi hanno compiuto sforzi per ricostruire e digitalizzare set di dati istologici e poi utilizzare queste ricostruzioni con le tecniche di registrazione di immagini per localizzare dell'ippocampo sottocampo neuroanatomy su in vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. Anche se questa è una tecnica efficace per mappare una versione della verità terra istologico direttamente sulle immagini RM, le ricostruzioni di questo tipo sono difficili da completare. Progetti come questi sono limitati dalla disponibilità di esemplari intatti mediale del lobo temporale, tecniche istologiche, la perdita di dati durante la lavorazione, istologica e le incongruenze morfologiche fondamentali tra il cervello in vivo fisse e in. Altri gruppi hanno usato gli scanner ad alto campo (7T o 9.4T), nel tentativo di acquisire in vivo o ex vivo con immagini abbastanza piccolo (0,20-,35 mm isotropo) dimensione voxel di visualizzare spazialmente localizzate le differenze di contrasto delle immagini che vengono utilizzate per dedurre confini tra sottocampi 35,37. Anche a 7T-9.4T e con una piccola dimensione voxel, le caratteristiche citoarchitettoniche dei sottocampi ippocampali non sono visibili. Come tali, sono stati sviluppati protocolli segmentazione manuali che unpproximate noti confini istologici sulle immagini RM. Questi protocolli stabiliscono limiti sottocampo interpretando le differenze di contrasto immagine locali e la definizione regole geometriche (come linee rette e angoli) relativi alle strutture visibili. Anche se le immagini scattate ad una elevata intensità di campo sono in grado di offrire un quadro dettagliato delle sottocampi dell'ippocampo, scanner ad alta campo non sono ancora comuni in ambito clinico o di ricerca, in modo da protocolli 7T e 9.4T attualmente hanno limitato l'applicabilità. Sono stati sviluppati protocolli simili per immagini raccolte su 3T e 4T scanner 11,20,21,23,24,25,28,33. Molti di questi protocolli sono basati su immagini con sub-1mm dimensioni voxel voxel nel piano coronale, ma hanno grandi spessori di fetta (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 o grandi distanze inter-slice 20,28, entrambi che si traducono in un significativo distorsione di misurazione nella stima dei volumi dei singoli sottocampi. Inoltre, molti dei protocolli esistenti 3Tescludere sottocampi in tutto o in parte della testa o la coda ippocampale 20,23,25,33 o non forniscono segmentazioni dettagliate delle sottostrutture importanti (ad esempio, combinare il DG con CA2 / CA3 o non includono gli strati radiatum / lacunosum / moleculare di CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Vi è quindi una necessità nel campo per una descrizione dettagliata di un protocollo che può identificare attendibilmente sottocampi pertinenti in tutta la testa, il corpo e la coda dell'ippocampo che si basa su uno scanner comunemente disponibili in ambito clinico e di ricerca. Gli sforzi sono attualmente in corso da parte del Gruppo Sottocampi Hippocampal (www.hippocampalsubfields.com) per armonizzare il processo di segmentazione dell'ippocampo sottocampo tra laboratori, simile a uno sforzo di armonizzazione esistente per tutta la segmentazione dell'ippocampo 6, e un documento iniziale confrontando 21 protocolli esistenti è stato recentemente pubblicato 38 . Il lavoro di questo gruppo sarà chiarire ulteriormente ottimale proce segmentazionedure.

Questo manoscritto fornisce istruzioni dettagliate video scritte e per attuare il protocollo di segmentazione affidabile sottocampo ippocampale descritto in precedenza da Winterburn e colleghi su 34 immagini ad alta risoluzione 3T MR. Il protocollo è stato implementato su cinque immagini di controlli sani per tutta la ippocampo e cinque sottocampi dell'ippocampo CA1, CA2 (/ CA3, CA4 / giro dentato, strati radiatum / lacunosum / moleculare e subiculum). Queste immagini segmentate sono a disposizione del pubblico online (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Il protocollo e le immagini segmentate saranno utili per i gruppi che desiderano studiare dettagliata neuroanatomia ippocampale in immagini RM.

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Protocol

I partecipanti allo studio

Il protocollo in questo manoscritto è stato sviluppato per cinque immagini rappresentative ad alta risoluzione raccolti da volontari sani (3F, 2M, 29-57 anni, media 37). Che erano liberi di disturbi e casi di grave trauma cranico neurologici e neuropsichiatrici. Tutti i soggetti sono stati reclutati presso il Centro per la Salute Mentale e Dipendenze (CAMH). Lo studio è stato approvato dal Comitato Etico CAMH Research ed è stato condotto in linea con la Dichiarazione di Helsinki. Tutti i soggetti forniti scritto, consenso informato per l'acquisizione dei dati e la condivisione. Per i dettagli sulla sequenza di acquisizione utilizzato per raccogliere queste immagini, si rimanda al Winterburn et al., 2013 e Parco et al., 2014. 26,34 Immagini per tutti i cinque soggetti sono stati controllati per la qualità e conservati. L'ippocampo attraversato una media di 118 fette coronali in queste immagini.

1. Software Set-up

  1. Aperto Display:

2. Tutta Hippocampus Segmentazione manuale

  1. Set-up: Uso di un'immagine T1 pesate, scorrere fino alla fetta antero-più coronale dell'ippocampo. Per avanzare le fette in direzione anteriore, usare il tasto '+'; utilizzare il tasto '-' per muoversi nella direzione posteriori.
  2. 12,22. Utilizzare il tasto E (Label Fill) nel menu di segmentazione della finestra di navigazione per riempire l'etichetta all'interno del bordo. Continuare ad applicare questi confini in tutta la testa dell'ippocampo anteriore.
  3. Fetta B: ippocampale capo 1 (Figura 1B):
    1. Superior, inferiori, laterali, confini mediale: Continuare a disegnare i bordi come descritto al punto 2.2, utilizzando la sostanza bianca del lobo temporale e alveus come guida.
    2. Border Supero-mediale: Per questo, utilizzando la vista assiale, tracciare una linea orizzontale dal bordo anteriore del dell'ippocampo laterali 29, e includere qualsiasi cosa, al di sotto di questa linea come ippocampo.NOTA: Il confine supero-mediale diventa più ambigua in queste sezioni, in cui la materia grigia dell'ippocampo si fonde con la materia grigia dell'amigdala.
  4. Fetta C: ippocampale Head 2 con Dentations: a seconda del soggetto, i dentations dell'ippocampo possono essere visibili per 3-4 fette (in genere, sono più visibili sul pesata in T2 contro le immagini pesate in T1). In queste fette, continuare a utilizzare la materia bianca del alveus e lobo temporale per guidare confine segmentazione 12,22. Per ulteriori informazioni, seguire i passaggi 2.5.1-2.5.2.
  5. Fetta D: Testa ippocampale 3:
    1. Superior, inferiori, laterali, bordi mediali: disegnare il bordo inferiore dell'ippocampo nella materia bianca del lobo temporale, il bordo laterale al corno inferiore del ventricolo laterale, il bordo superiore, seguendo la curva delle dentations, al sostanza bianca del alveus / fimbria, e il bordo mediale al regio ipointensan della cisterna ambientale 12,22.
    2. Supero-mediale e confini infero-mediale: continuano a definire il confine supero-mediale come descritto al punto 2.3.2. Disegnare la parte inferiore del bordo mediale in cui l'ippocampo si assottiglia leggermente e si estende nella materia grigia lievemente iperintensa della corteccia entorinale 12,22.
  6. Fetta E: ippocampale Testa 4 con uncus: Continuare a disegnare i confini inferiori, laterali e superiori descritti nei passaggi 2.5.1-2.5.2. Includere il uncus (che si trova medaglia al corpo principale dell'ippocampo ed è circondata da CSF bassa intensità) nella ippocampale segmentazione 12,2 2.
  7. Fetta F: ippocampale Corpo: Continuare a disegnare i confini inferiori, laterale, mediale, e superiori descritti nei passaggi 2.5.1-2.5.2. Disegnare il confine infero-mediale nel punto in cui l'ippocampo si assottiglia mentre transita di corteccia entorinale / para-ippocampale giro 12,22.Non includere il CSF a bassa intensità del solco ippocampale rudimentale nella segmentazione.
  8. Fetta G: Coda ippocampale 1: Iniziare segmentare le fette di coda di tipo dell'ippocampo quando i cru del fornice è il primo visibile. Escludere il giro fascicolare (una struttura della materia grigia che si fonde con l'ippocampo in alcune parti della coda dell'ippocampo) dalla segmentazione estrapolando la forma del giro fascicular in coda dell'ippocampo da più sezioni anteriori 12,22. Questa estrapolazione non è possibile solo per 2-3 fette, dopo di che le due strutture non possono essere accuratamente distinti; a questo punto, trattare tutti materia grigia visibili in quest'area ippocampo.
  9. Fetta H: Coda ippocampale 2: Segmento materia grigia a bassa intensità della coda dell'ippocampo posteriore, dalla materia bianca ad alta intensità circostante.
  10. Slice I: posteriore-Most Slice: Segmento piccola area rimanente della materia grigia dell'ippocampo dala materia bianca intorno del lobo temporale.

3. ippocampale sottocampo segmentazione manuale

  1. Set-up: Uso di un'immagine pesate in T2, scorrere fino alla fetta antero-più coronale dell'ippocampo (come al punto 2.1). Per cambiare il colore del pennello, selezionare D (Set Vernice Lbl :) sul menu segmentazione nella finestra di navigazione. Il terminale di comando chiederà: "Inserire label vernice corrente:". Inserire un numero compreso tra 1 e 255. Ogni numero corrisponde ad un colore un'etichetta diversa.
  2. Fetta A: anteriore-Most Slice: Dal momento che le divisioni di sottocampo non sono ancora visibili nel antero-più slice, tracciare una linea che divide la materia visibile ippocampale grigio lungo il suo più lungo l'asse visibile (che non è necessariamente parallela ad uno qualsiasi degli assi cardinali) in due sezioni uguali di approssimare il vero 12,22 anatomia. Etichettare il superiore di queste due sezioni come CA1 e la sezione inferiore come subiculum da choosing un'etichetta di colore diverso per ogni sottocampo 23,35.
  3. Fetta B: ippocampale Testa 1: Etichettare la zona a bassa intensità nel mezzo della formazione dell'ippocampo come SR / SL / SM 13,37. Quando la curva lungo il bordo inferiore dell'ippocampo diventa chiaro, utilizzare questo come punto di riferimento il margine laterale che separa il subiculum dal CA1 12,22. Continua a seguire l'asse più lungo dell'ippocampo per disegnare il bordo CA1-subiculum sul supero-mediale punta 37.
  4. Fetta C: Testa ippocampale 2 con Dentations:
    1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Etichettare la SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum come descritto per fetta D (punto 3.5.1).
    2. CA2 / CA3 e CA1: Definire il confine tra CA1 e CA2 / CA3 come linea 45 ° Angolo estende nella direzione supero-laterale dal bordo più supero-laterale del SR / SL / SM 12,22. Estrarre il CA2 / CA3 medialmente lungo il bordo superiore al trogolo tra dentale 12,22. Etichettare il resto del bordo superiore come CA1 12,22.
  5. Fetta D: ippocampale Head 3
    1. SR / SL / SM, CA4 / DG, e subiculum: Etichettare la band / SL / SM SR buio prima, che seguirà la curva della CA1 37. Etichettare qualsiasi materia grigia ad alta intensità all'interno del SR / SL / SM come CA4 / DG 12,22,23,35,37. Questo non può essere una regione continua, come in Figura 2C. Continuare a definire il confine subiculum-CA1 utilizzando la curva nell'ippocampo inferiori 12,22.
    2. CA2 / CA3 e CA1: Continuare a definire il CA1 e CA2 confine / CA3 come al punto 3.4.2. Estrarre il CA2 / CA3 medialmente metà lungo il bordo superiore dell'ippocampo 12,22 ed etichettare l'altra metà del bordo superiore come CA1 12,22.
    3. Testa dell'ippocampo supero-mediale: In questa fetta, dividere la testa dell'ippocampo supero-mediale verticalmente a metà. Etichettare il mezzo mediale come SR / SL / SM 12. Dividere il lateralemetà in mezzo di nuovo, questa volta in senso orizzontale. Etichettare la parte superiore come CA4 / DG e la parte inferiore come CA2 / CA3 12.
  6. Fetta E: ippocampale Testa 4 con uncus
    1. Testa dell'ippocampo laterale (subiculum): Nella porzione laterale di queste fette, definisce il confine subiculum-CA1 come una linea verticale che si estende in direzione inferiore dal bordo più mediale del CA4 / DG 12,22.
    2. Laterale testa ippocampale (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Definire il confine CA1-CA2 / CA3 nello stesso modo come al punto 3.4.2. Continuare per etichettare il SR / SL / SM come regione di bassa intensità seguendo la curva delle regioni CA. Etichettare il CA4 / DG come la cavità centrale all'interno del SR / SL / SM, come al punto 3.5.1.
    3. Uncal testa ippocampale (SR / SL / SM): Etichetta il uncus dell'ippocampo per circa 10 fette come le transizioni testa dell'ippocampo nel corpo ippocampale. Nel uncus, etichettare la regione a bassa intensità al centro come SR / SL / SM (quando questo è difficile da vedere, approssimare l'anatomia segmentando una linea larga 2-3 voxel il centro del uncus) 12.
    4. Testa dell'ippocampo Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Disegnare una linea sul bordo superiore della / SL sezione SR / SM lungo infero-laterale / supero-mediale asse del uncus. Etichetta tutta la materia grigia sopra di questa linea come CA2 / CA3 12. Etichettare qualsiasi materia grigia senza etichetta sotto di questa linea (su entrambi i lati del SR / SL / SM) come CA4 / DG 12.
  7. Fetta F: ippocampale Corpo: Continuare ad applicare i confini descritti nel passaggio 3.6.1-3.6.2.
  8. Fetta G: Coda ippocampale 1: Continuare ad applicare le regole descritte nel passaggio 3.6.1-3.6.2. Il confine subiculum-CA1 diventa una linea di 45 ° angolo di estensione in direzione infero-mediale dal bordo mediale del CA4 / DG 12,22.
  9. Fetta H: Coda ippocampale 2: Una volta che il giro fascicolari non possono più essere distinti dal formatio ippocampalen, etichettare l'intero strato esterno come CA1, la zona a bassa intensità all'interno di questo come SR / SL / SM (come in fette precedenti) e ogni materia grigia rimanendo al centro come CA4 / DG 12,22.
  10. Slice I: posteriore-Most Slice: Una volta che il buio SR / SL / SM non è più visibile al centro della formazione dell'ippocampo, etichettare l'intera struttura come CA1 12,22.

4. Protocollo Affidabilità

  1. Resegment destra oa sinistra ippocampo di ogni soggetto dopo aver atteso circa un mese dal compiere segmentazione originale. Segmento tutti i sottocampi lungo tutta la lunghezza antero-posteriore dell'ippocampo, cercando di seguire le regole di protocollo nel modo più coerente possibile.
  2. Calcolare kappa della Dice tra i volumi originali e resegmented:
    Equazione 1
    dove k = Dice di kappa e A e B sono volumi di etichette.

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Representative Results

. I risultati del test di affidabilità protocollo sono riassunti nella Tabella 2 Per l'intero ippocampo bilaterale, significa sovrapposizione spaziale come misurato dalla kappa di Dice è 0.91 e varia 0,90-0,92. I valori kappa sottocampo vanno da 0,64 (CA2 / CA3) a 0,83 (CA4 / giro dentato). Volumi medi di tutti sottocampi e tutta ippocampo sono riportati in Tabella 3. Volumi per l'intera gamma da ippocampo 2456.72-3325.02 mm 3. Il CA2 / CA3 è il più piccolo al sottocampo 208.33 mm 3, mentre il CA1 è il più grande a 857,46 mm 3.

Figura 1
Figura 1. Segmentazione di tutta ippocampo per 9 fette coronali (AI) con immagini pesate in T1. Le linee rosse verticali sulla superficie ippocampale illustrano la posizione di ogni fetta coronale. L'ippocampo era presente in unverage di 118 fette coronali in ciascuno dei cinque soggetti inclusi in questo studio. Immagini progrediscono da anteriore (fetta 1) in alto a posteriori (slice 118) nella parte inferiore. Immagini sono mostrati nella colonna di sinistra, senza segmentazione e con la segmentazione sulla colonna di destra. La barra di scala mostra 3 mm per riferimento. Numeri romani indicano le caratteristiche specifiche individuate nel manoscritto protocollo. io. Il alveus distingue la materia grigia dell'ippocampo dalla materia grigia dell'amigdala in antero-più fetta. ii. La sostanza bianca del lobo temporale definisce il confine inferiore dell'ippocampo nella testa ippocampale. iii. Il bordo laterale dell'ippocampo nella testa ippocampale è il corno inferiore del ventricolo laterale. iv. Il bordo superiore è definito dalla sostanza bianca del alveus / fimbria. v. Il bordo mediale della testa dell'ippocampo è la cisterna ambiente. vi. L'ippocampo infero-mediale si estende nella corteccia entorinale, che si presenta come un eufemismo iper-intensobanda nelle immagini pesate in T1. vii. Il uncus dell'ippocampo è presente nella testa dell'ippocampo e può essere facilmente distinto dal CSF circostante. viii. Nella direzione infero-mediale, il confine tra il subiculum e il giro para-ippocampale è definito da un lieve assottigliamento della materia grigia ippocampale. ix. Il QCS del solco ippocampale rudimentale, non è incluso nella segmentazione. X. Il giro fascicular non include la segmentazione della coda dell'ippocampo quando è possibile differenziare esso. xi. Quando non è più possibile distinguere tra il giro fascicolare e la coda dell'ippocampo, il giro fascicular è incluso nella segmentazione. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2. Segmentation dei sottocampi dell'ippocampo per 9 fette coronali (AI) con immagini pesate in T2. Le linee rosse verticali sulla superficie ippocampale illustrano la posizione di ogni fetta coronale. L'ippocampo era presente in una media di 118 fette coronali in ciascuno dei cinque soggetti inclusi in questo studio. Immagini progrediscono da anteriore (fetta 1) in alto a posteriori (slice 118) nella parte inferiore. Immagini sono mostrati nella colonna di sinistra, senza segmentazione e con la segmentazione sulla colonna di destra. La barra di scala mostra 3 mm per riferimento. Numeri romani indicano le caratteristiche specifiche individuate nel manoscritto protocollo. io. La regione di bassa intensità nel centro della testa dell'ippocampo è la SR / SL / SM. ii. La curva a forma di UNCAL sul bordo infero-laterale dell'ippocampo segna il confine tra il CA1 e subiculum. iii. Il confine subiculum-CA1 continua ad essere definita a 'curva' nell'ippocampo inferiore nella testa ippocampale. iv. Il confine tra CA1 eCA2 / CA3 è definito come un angolo di 45 ° si estende nella direzione superiore laterale dal bordo più supero-laterale del SR / SL / SM. v. Il CA2 / CA3 estende a metà strada lungo il bordo superiore dell'ippocampo, al trogolo dei dentations, mediale che è etichettato come CA1. vi. La materia grigia nel centro della testa dell'ippocampo è etichettato come CA4 / DG. vii. Continuare a definire il bordo CA1-CA2 / CA3 come un angolo di 45 ° si estende nella direzione superiore laterale dal bordo più supero-laterale del SR / SL / SM. viii. Il CA2 / CA3 continua ad estendere metà lungo il bordo superiore dell'ippocampo, mediale che è etichettato come CA1. ix. In fetta D, la testa ippocampale supero-mediale è diviso in sottocampi (vedere il punto 3.5.3). X. Il confine subiculum-CA1 è definita come una linea verticale che si estende dal bordo più mediale del CA4 / DG. xi. La SR / SL / SM continua ad essere la regione a bassa intensità seguendo la curva delle regioni CA. xii. Nella parte UNCAL della testa dell'ippocampo,SR / SL / SM è la regione a bassa intensità nel centro della uncus. Se ciò non può essere visto, tracciare una linea ampia 2-3 pixel fino al centro del uncus. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. Superiore, inferiore, mediale e bordi laterali per sottocampi dell'ippocampo per nove fette rappresentativi lungo antero-posteriore estensione dell'ippocampo. Frontiere sono descritti per immagini T2. WM = Bianco Materia; GM = Grey Matter; MTL = mediale del lobo temporale.

<tr> Ippocampale Testa 1
Struttura Fetta Bordo superiore Margine inferiore Margine mediale Bordo laterale
CA1 La maggior parte antero-Slice WM del alveus Linea mediana di materia grigia dell'ippocampo, lungo più lungo asse (frontiere subiculum) WM del alveus WM del alveus
Ippocampale Testa 1 WM del alveus SR / SL / SM; confine inferolaterale con subiculum al 'curva' dell'ippocampo WM del alveus WM del alveus
Ippocampale Head 2 (con Dentations)
Laterale Segue la curva del SR / SL / SM; border supero-laterale con CA2 / CA3 WM del MTL SR / SL / SM; inferomediale con subiculum al 'curva' dell'ippocampo WM del alveus
Medial WM del alveus; border supero-mediale con CA2 / CA3 Bassa intensità SR / SL / SM Basso-intensity SR / SL / SM CA2 / CA3
Ippocampale Head 3
Laterale Segue la curva del SR / SL / SM; border supero-laterale con CA2 / CA3 WM del MTL SR / SL / SM; inferomediale con subiculum al 'curva' dell'ippocampo WM del alveus
Medial WM del alveus; border supero-mediale con CA2 / CA3 Bassa intensità SR / SL / SM Bassa intensità SR / SL / SM CA2 / CA3
Ippocampale Head 4 (con uncus) Segue la curva del SR / SL / SM; border supero-laterale con CA2 / CA3 WM del MTL SR / SL / SM; confine inferomediale con subiculum linea verticale lungo il bordo mediale del CA4 / DG WM del alveus
Corpo ippocampale Segue la curva del SR / SL / SM; supero-laterale wit confineh CA2 / CA3 WM del MTL SR / SL / SM; confine inferomediale con subiculum linea verticale lungo il bordo mediale del CA4 / DG WM del alveus
Coda ippocampale 1 SR / SL / SM; confine superolaterale con CA2 / CA3 WM del MTL Segue la curva del SR / SL / SM; border supero-mediale con la subiculum lungo la linea parallela al bordo del CA4 / DG WM del alveus
Coda ippocampale 2 Border supero-laterale con il WM del alveus / fimbria WM del MTL WM del MTL WM del MTL
Posteriore-Most Slice Border supero-laterale con il WM del alveus / fimbria Resto della struttura confina con il WM del lobo temporale WM del MTL WM della alveus / fimbria
Subiculum La maggior parte antero-Slice Mid-linea di ippopotamomateria grigia Campal, lungo l'asse più lungo (confina con CA1) WM del MTL WM del alveus WM del alveus
Ippocampale Testa 1 SR / SL / SM; CA1 sul bordo supero-mediale WM del MTL WM del alveus CA1, a 'piegare' nell'ippocampo
Ippocampale Head 2 (con Dentations) SR / SL / SM WM del MTL Corteccia entorinale (zona bassa intensità mediale ippocampo inferiore) CA1, a 'piegare' nell'ippocampo
Ippocampale Head 3 SR / SL / SM WM del MTL Corteccia entorinale (zona bassa intensità mediale ippocampo inferiore) CA1, a 'piegare' nell'ippocampo
Ippocampale Head 4 (con uncus) CSF della cisterna ambiente WM del MTL; border infero-mediale in corteccia entorinale, dove banda corticale assottiglia slightly e l'intensità del segnale scende CSF della cisterna ambiente CA1 lungo la linea parallela al bordo del CA4 / DG
Corpo ippocampale CSF della cisterna ambiente WM del MTL; border infero-mediale in corteccia entorinale, dove si assottiglia leggermente banda corticale e segnalare gocce di intensità CSF della cisterna ambiente CA1 lungo la linea parallela al bordo del CA4 / DG
Coda ippocampale 1 GM del giro fascicular (dove può essere separata dal ippocampale GM) WM del MTL Difficile stabilire; estrapolare dal più anteriori / posteriori fette CA1 lungo la linea parallela al bordo del CA4 / DG
Coda ippocampale 2 N / A
Posteriore-Most Slice N / A
CA2 / CA3 La maggior parte antero-Slice N / A
N / A
Ippocampale Head 2 (con Dentations)
Laterale WM del alveus Bassa intensità SR / SL / SM CA1 a metà strada lungo il bordo superiore di ippocampo; se dentations visibile, cercare di stimare a metà strada Border infero-laterale con CA1 lungo angolo di 45 ° dalla maggior margine supero-laterale della SR / SL / SM
Medial CA4 / DG a metà estensione superiorinferior dell'ippocampo CA1 alla base di estensione superiore-inferiore di ippocampo SR / SL / SM a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo WM di alveus
Ippocampale Head 3
Laterale WM del alveus Bassa intensità SR / SL / SM CA1 a metàbordo superiore di ippocampo Border infero-laterale con CA1 lungo angolo di 45 ° dalla maggior margine supero-laterale della SR / SL / SM
Medial CA4 / DG a metà estensione superiorinferior dell'ippocampo CA1 alla base di estensione superiore-inferiore di ippocampo SR / SL / SM a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo WM di alveus
Ippocampale Head 4 (con uncus)
Laterale WM del alveus CA4 / DG CSF della cisterna ambiente Border infero-laterale con CA1 lungo angolo di 45 ° dalla maggior margine supero-laterale della SR / SL / SM
Medial CSF della cisterna ambiente Linea parallela al bordo superiore della SR / SL / SM CSF della cisterna ambiente CSF della cisterna ambiente
HCorpo ippocampal WM del alveus CA4 / DG CSF della cisterna ambiente Border infero-laterale con CA1 lungo angolo di 45 ° dalla maggior margine supero-laterale della SR / SL / SM
Coda ippocampale 1 WM del alveus Linea orizzontale che si estende dal bordo inferiore punto più laterale di SR / SL / SM, modello seguente di più fette anteriori; confine inferomediale con CA4 / DG WM della fimbria WM della fimbria
Coda ippocampale 2 N / A
Posteriore-Most Slice N / A
CA4 / DG La maggior parte antero-Slice N / A
Ippocampale Testa 1 N / A
Ippocampale Head 2 (con Dentations) Segue la curva di bassa intensità SR / SL / SM Bassa intensità SR / SL / SM CSF della cisterna ambiente Bassa intensità SR / SL / SM
Laterale Bassa intensità SR / SL / SM Bassa intensità SR / SL / SM CSF della cisterna ambiente Bassa intensità SR / SL / SM
Medial Utilizzare la vista assiale di tracciare una linea orizzontale medialmente dal bordo anteriore del ippocampo laterali CA2 / CA3 a metà estensione superiorinferior dell'ippocampo SR / SL / SM a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo WM di alveus
Ippocampale Head 3
Laterale Bassa intensità SR / SL / SM Bassa intensità SR / SL / SM CSF della cisterna ambiente Bassa intensità SR / SL / SM
Medial CSF della cisterna ambiente CA2 / CA3 a metà estensione superiorinferior di hippocampus SR / SL / SM a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo WM di alveus
Ippocampale Head 4 (con uncus)
Laterale Bassa intensità SR / SL / SM Bassa intensità SR / SL / SM CSF della cisterna ambiente Bassa intensità SR / SL / SM
Medial Linea parallela al bordo superiore della SR / SL / SM CSF di cisterna ambiente CSF di cisterna ambiente; lowintensity SR / SL / SM CSF di cisterna ambiente; bassa intensità SR / SL / SM
Corpo ippocampale CA2 / CA3 Bassa intensità SR / SL / SM CSF di cisterna ambiente Bassa intensità SR / SL / SM
Coda ippocampale 1 CA2 / CA3 e fimbria Bassa intensità SR / SL / SM CSF di ventricolo laterale Bassa intensità SR / SL / SM
Coda ippocampale 2 N / A
Posteriore-Most Slice N / A
SR / SL / SM Antero-fetta più N / A
Ippocampale Testa 1 Bassa intensità SR / SL / SM nel centro di CA1 e subiculum
Ippocampale Head 2 (con Dentations) Utilizzare la vista assiale di tracciare una linea orizzontale medialmente dal bordo anteriore del ippocampo laterali Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG CSF di cisterna ambiente CA2 / CA3 e CA4 / DG a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo
Ippocampale Head 3 Utilizzare la vista assiale di tracciare una linea orizzontale medialmente dal bordo anteriore del ippocampo laterali Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG CSF di cisterna ambiente CA2 / CA3 e CA4 / DG a metà strada lungo la larghezza di estensione superiore-inferiore di ippocampo
Ippocampale Head 4 (con uncus)
Laterale Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG
Medial Bassa intensità SR / SL / Smin mezzo (quando difficile da vedere, approssimativa con una linea larga 203 voxel) CSF di cisterna ambiente CA4 / DG CA4 / DG
Corpo ippocampale Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG
Coda ippocampale 1 Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG
Coda ippocampale 2 Bassa intensità SR / SL / SM circostante CA4 / DG
Posteriore-Most Slice N / A

fo:. keep-con-previous.within-page = "always"> Tabella 2. Risultati di affidabilità protocollo per tutti e cinque sottocampi e l'intero ippocampo dai cinque soggetti segmentato manualmente Resegmentations sono state eseguite su destro o ippocampo fianco di ogni soggetto. Significa di Dadi kappa riflette il medio di tutti i cinque soggetti.

Struttura Media di Dice kappa (gamma)
CA1 0,78 (0,77-0,79)
CA2 / CA3 0,64 (0,56-0,73)
CA4 / giro dentato 0,83 (0.81-0.85)
SR / SL / SM 0,71 (0,68-0,73)
Subiculum 0,75 (,72-,78)
Tutta ippocampo 0,91 (0,90-0,92)

Tabella 3. Media sottocampo e interi volumi dell'ippocampo.

Struttura Volume (range) medio (mm 3)
CA1 857,46 (720.17-981.68)
CA2 / CA3 208.33 (155,10-281,57)
CA4 / giro dentato 615,50 (500.16-763.01)
SR / SL / SM 687,22 (576.61-895.59)
Subiculum 390,79 (277.21-445.95)
Tutta ippocampo 2759,31 (2456.72-3325.02)

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Discussion

Segmentazione sottocampo ippocampale di immagini RM è ben rappresentata nella letteratura. Tuttavia, protocolli esistenti escludono parti dell'ippocampo 20,23,33,35, si applicano solo alle immagini fisse 37, o richiedono scanner ultra-alto campo per l'acquisizione di immagini 35,37. Questo manoscritto offre un protocollo di segmentazione comprende cinque suddivisioni principali (CA1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato, SR / SL / SM e subiculum) dell'ippocampo e copre l'intera lunghezza antero-posteriore della struttura. I atlanti segmentati completi sono a disposizione del pubblico online (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Questo lavoro è applicabile a molti gruppi all'interno del campo di neuroimaging, e contribuirà a limitare alcune delle discrepanze esistenti nel sottocampo segmentazione dell'ippocampo.

Test di affidabilità del protocollo mostra un elevato grado di sovrapposizione spaziale tra etichette originali e resegmented, che riflette una elevata affidabilità intra-rater (Tabella 2). Un valore kappa di 0,91 per l'intero ippocampo confronto con altri valori riportati in letteratura 35,37. I attendibilità intra-rater di molti dei sottocampi confrontano bene anche con altri protocolli di segmentazione simili; tuttavia, alcune strutture hanno attendibilità inferiori 25,33,35,37 .Questo possono essere il risultato di includere la SR / SL / SM sottocampo del presente protocollo in cui altri gruppi non lo fanno, che si traduce in sottocampi adiacenti (il subiculum, CA1, e CA2 / CA3) essendo più sottile, e quindi più pesantemente penalizzati dal Dice di kappa metrica 33,35. Inoltre, il processo ripetere il test utilizzato in questo protocollo è forse più rigorosa e quindi più riflessiva della vera affidabilità protocollo di quelli utilizzati da altri gruppi. L'intera lunghezza antero-posteriore di un emisfero di ogni soggetto è stato resegmented, mentre altri gruppi a più alto segmento affidabilità solo poche fette coronali 23,33,37 .La sottocampo conil kappa più basso (0,64) è il CA2 / CA3, che è una piccola struttura sottile. È stato precedentemente dimostrato che l'errore intra-rater per tutti sottocampi di questo protocollo è superiore a 0,3 mm simulato errore traslazionale in ogni direzione cardinale, o una simulazione di 1% di espansione / contrazione del 34 etichette. In altre parole, l'errore resegmentation manuale è più piccolo di introdurre un piccolo errore sistematico, che supporta l'elevata riproducibilità manuale del protocollo.

Il valutatore esperto manuale studiato ciascuna delle cinque immagini ad alta risoluzione in dettaglio per determinare quali dei sottocampi presenti in istologia di Duvernoy potrebbe essere visto 12. È stato determinato che non è stato possibile differenziare affidabile il CA2 dal CA3, in modo da aumentare l'affidabilità protocollo, sono stati combinati in un'unica struttura. Questa regola segue il precedente di precedenti gruppi 33,37. Non è stato possibile distinguere il CA4 dal moleculare strato,strato granuloso, e lo strato polimorfico del giro dentato nelle immagini, o di distinguere tra gli stessi strati giro dentato. La CA4 e tutti gli strati giro dentato sono stati quindi combinati in una sola etichetta (CA4 / DG). Vi è, infatti, un dibattito nella comunità segmentazione sottocampo hippocampal se la regione CA4 deve essere considerato parte del Ammonis cornu, come con Duvernoy 12, o come parte del giro dentato, come con Amaral 3. Il metodo presentato in questo manoscritto accomoda entrambi questi punti di vista, e segue il lavoro di MR precedenti gruppi di segmentazione 23,28,33,35,37. Gli strati radiatum, lacunosum, e moleculare del Ammonis cornu, inoltre, non poteva essere distinto separatamente, in modo sono stati combinati in una etichetta, come con le precedenti gruppi di 37.

L'analisi più accurata della neuroanatomia è attraverso sezionamento istologico e la colorazione, ma questo tipo di analisi soffre di una serie di questioni: Limited accesso ai campioni fissati (che si traduce in piccolissime dimensioni del campione); le competenze necessarie per la preparazione dei campioni; le distorsioni del cervello dopo la fissazione; e difficoltà di applicazione di un atlante fisso al digitale, in 1,2,8 dati in vivo. Nella ex vivo di immagini, lunghi tempi di acquisizione di un cervello fisso in uno scanner RM fornisce anche un quadro dettagliato di neuroanatomia, ma come con istologia, numero del campione è limitato e ci sono differenze morfometriche tra fisso e in vivo del cervello 37. In vivo MR Imaging ha una risoluzione limitata, ma presenta la possibilità per campioni di dimensioni molto più grandi, così come il potenziale per l'imaging di un singolo soggetto in più punti di tempo. Allungando il tempo di acquisizione su scanner di intensità di campo standard, (entro i confini di comfort soggetto), il livello di dettaglio disponibile nelle immagini in vivo diventa sufficiente per risolvere a livello di sub-struttura di neuroanatomia. L'acquisizione utilizzato per le immagini segmented in questo protocollo offre quindi un ragionevole compromesso tra la disponibilità del campione e la risoluzione dell'immagine.

Questo protocollo è stato sviluppato per alta risoluzione immagini RM come quelli utilizzati per illustrare le fasi del protocollo in questo manoscritto 26,34. Immagini ad alta risoluzione sono stati acquisiti con uno scanner 3T, approfittando di lunghi tempi di scansione e l'immagine di media. Il tempo di scansione totale per entrambe le acquisizioni FSPGR-BRAVO e FSE-CUBE insieme è stato poco meno di 2 ore. Si riconosce che questa è una lunghezza di scansione proibitivo per applicazioni cliniche: questa sequenza è stata eseguita qui per scopi illustrativi per il protocollo di segmentazione. Gli autori ritengono che il protocollo di segmentazione descritto in questo manoscritto potrebbe essere adattato alle immagini con un tempo di scansione più breve, per esempio una singola acquisizione 3T (invece di 3 acquisizioni per ogni tipo di contrasto, usati per Winterburn et al., 2013 34 e Park ed altri. 2014 26 7,27 precedenza.

Il protocollo è stato progettato e realizzato le immagini di soggetti sani, ma potrebbe anche essere applicata (manualmente o tramite una segmentazione conduttura automatizzata 7,16,27) alle immagini di popolazioni malati come i pazienti con malattia di Alzheimer, per i quali l'atrofia grave rende il Hippocampus una struttura di particolareinteresse. 5,30 Nonostante questo atrofia, punti di riferimento che circondano l'ippocampo e contrasto intensità nelle immagini significherebbe protocollo segmentazione sarebbe ancora in gran parte praticabile. Tuttavia, tali immagini cliniche sarebbe probabilmente acquisiti uno scanner con una intensità di campo molto più bassa, come ad esempio 1,5T, dove la risoluzione sarebbe troppo basso per poter vedere sottostrutture.

Il tipo di software utilizzato per eseguire le segmentazioni è rilevante, in quanto è importante essere in grado di osservare la struttura da più punti di vista (cioè, coronale, sagittale, assiale). Inoltre, l'uso di una visualizzazione 3D della superficie di struttura può essere utilizzata per appianare la topologia generale dell'ippocampo. Spesso voxel erranti o forme illogiche non saranno evidenti nei piani cardinali 2-dimensionsal, ma sarà molto chiaro su una superficie 3D. On immagini ad alta risoluzione, il protocollo si applica a circa 118 fette coronali e richiede verso l'alto di 40 ore di work per argomento da un esperto rater manuale precedentemente addestrati. Questa quantità di lavoro manuale limita l'applicabilità del protocollo completo di un grande insieme soggetto. Sarebbe possibile realizzare una versione modificata del protocollo come misura risparmio di tempo: per esempio, ogni fetta coronale potrebbe essere segmentato per fornire una stima dei volumi sottocampo o sottocampi potrebbe essere combinato, ad esempio tutte cornu Ammonis sottocampi ( CA1, CA2 / CA3, e SR / SL / SM).

In conclusione, questo manoscritto presenta un protocollo di segmentazione manuale dettagliato per l'intero ippocampo e cinque sottocampi dell'ippocampo (CA1, CA2 / CA3, CA4 / giro dentato, strati radiatum / lacunosum / moleculare e subiculum). Questo protocollo è stato applicato a cinque soggetti, e gli atlanti sono stati resi disponibili pubblicamente (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Questi atlanti consentire ad altri laboratori interessati segmentazione dell'ippocampo a svolgere affidabili e ripetibili segmentazioni dei sottocampi di ippocampo sunuovi dataset di immagini.

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Acknowledgments

Gli autori desiderano ringraziare il sostegno della Fondazione CAMH, grazie a Michael e Sonja Koerner, la Famiglia Kimel, e la Paul E. Garfinkel Nuova Investigator Catalyst Award. Questo progetto è stato finanziato dal Fonds de Recherches Santé Québec, la Canadian Institutes of Health Research (CIHR), le scienze naturali e ingegneria Research Council del Canada, del Brain Institute Weston, Società di Alzheimer del Canada, e il Micheal J. Fox Foundation per di Parkinson Research (MMC), così come CIHR, il Mental Foundation dell'Ontario Salute, NARSAD, e l'Istituto Nazionale di Salute Mentale (R01MH099167) (ANV). Gli autori desiderano inoltre ringraziare Anusha Ravichandran per assistenza acquisizione delle immagini.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Discovery MR750 3T GE Or equivalent 3T scanner
Minc Tool Kit McConnell Brain Imaging Center, Montreal Neurological Institute Open source: http://www.bic.mni.mcgill.ca/ServicesSoftware/ServicesSoftwareMincToolKit

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Winterburn, J., Pruessner, J. C., Sofia, C., Schira, M. M., Lobaugh, N. J., Voineskos, A. N., Chakravarty, M. M. High-resolution In Vivo Manual Segmentation Protocol for Human Hippocampal Subfields Using 3T Magnetic Resonance Imaging. J. Vis. Exp. (105), e51861, doi:10.3791/51861 (2015).

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