Abstract
L'hippocampe humain a été largement étudiée dans le contexte de la mémoire et la fonction cérébrale normale et son rôle dans différents troubles neuropsychiatriques a été très étudié. Bien que de nombreuses études d'imagerie traiter l'hippocampe comme une seule structure unitaire neuro-anatomique, il est, en fait, constitué de plusieurs sous-zones qui ont une géométrie tridimensionnelle complexe. En tant que tel, il est connu que ces sous-zones remplissent des fonctions spécialisées et sont affectés différemment par le cadre de différents états pathologiques. Résonance magnétique (MR) de formation d'image peut être utilisé comme un outil puissant pour interroger la morphologie de l'hippocampe et de ses sous-zones. Beaucoup de groupes utilisent des logiciels de pointe d'imagerie et le matériel (> 3T) à l'image les sous-champs; Cependant ce type de technologie peut ne pas être facilement disponibles dans la plupart des centres de recherche et d'imagerie clinique. Pour répondre à ce besoin, ce manuscrit fournit un protocole détaillé étape par étape pour segmenter la longueur antéro-postérieur completde l'hippocampe et de ses sous-champs: corne d'Ammon (CA) 1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté (DG), les strates radiatum / lacunosum / moleculare (SR / SL / SM), et subiculum. Ce protocole a été appliqué à cinq sujets (3F, 2M, 29-57 ans, 37 avg.). Protocole fiabilité est évaluée par resegmentation soit la droite ou la gauche hippocampe de chaque sujet et le calcul du chevauchement utilisant kappa la métrique de l'Dice. Coefficient Kappa moyen de Dice (plage) sur les cinq sujets sont: l'hippocampe ensemble, 0,91 (0,90 à 0,92); CA1, 0,78 (0,77 à 0,79); CA2 / CA3, 0,64 (de 0,56 à 0,73); CA4 / gyrus denté, 0,83 (0,81 à 0,85); strates radiatum / lacunosum / moleculare, 0,71 (0,68 à 0,73); subiculum et 0,75 (de 0,72 à 0,78). Le protocole de segmentation présentée ici fournit d'autres laboratoires avec une méthode fiable pour étudier les sous-zones de l'hippocampe hippocampe et in vivo en utilisant des outils couramment disponibles MR.
Introduction
L'hippocampe est une structure largement étudiée temporal médian de lobe qui est associé à la mémoire épisodique, la navigation spatiale, et d'autres fonctions cognitives 10,31. Son rôle dans les maladies neurodégénératives et neuropsychiatriques tels que la maladie de Alzheimer, la schizophrénie et le trouble bipolaire est bien documenté 4,5,18,24,30. Le but de ce manuscrit est de fournir des détails supplémentaires au protocole de segmentation manuel publié précédemment pour 34 sous-champs de l'hippocampe humaines sur-haute résolution résonance magnétique (MR) images acquises à 3T. En outre, la composante vidéo accompagnant ce manuscrit sera fournir une aide supplémentaire aux chercheurs qui souhaitent mettre en œuvre le protocole sur leurs propres bases de données.
L'hippocampe peut être divisé en sous-domaines basés sur les différences observées dans cytoarchitectoniques histologiquement préparé post-mortem spécimens 12,22. Ces spécimens post-mortem définissent le Ground vérité pour l'identification et l'étude des sous-zones de l'hippocampe; Mais les préparatifs de cette nature exigent des compétences et de l'équipement pour la coloration spécialisés, et sont limitées par la disponibilité de tissu fixe, en particulier dans les populations malades. imagerie in vivo a l'avantage d'un bassin beaucoup plus large de sujets, et présente également l'occasion pour suivi des études et l'observation des changements dans les populations. Bien qu'il ait été montré que les intensités du signal en T2-pondérés ex vivo images IRM refléter la densité cellulaire 13, il est encore difficile d'identifier les frontières contestées entre des sous-champs en utilisant uniquement MR intensités de signal. En tant que tel, un certain nombre d'approches différentes pour identifier des détails au niveau de l'histologie sur les images IRM ont été développés.
Certains groupes ont fait des efforts de reconstruction et de numériser les ensembles de données histologiques et ensuite utiliser ces reconstructions ainsi que des techniques d'enregistrement d'image pour localiser le sous-champ hippocampique neuroanatnomie dans vivo MR 1,2,8,9,14,15,17,32. Bien que ce soit une technique efficace pour cartographier une version de la vérité terrain histologique directement sur les images IRM, des reconstitutions de cette nature sont difficiles à remplir. Des projets comme ceux-ci sont limités par la disponibilité de spécimens intacts médiale du lobe temporal, les techniques histologiques, la perte de données lors du traitement histologique, et les incohérences morphologiques fondamentales entre le cerveau in vivo fixes et dans. D'autres groupes ont utilisé des scanners à haut champ (7T ou 9.4T) dans un effort d'acquérir in vivo ou ex vivo avec des images assez petit (de 0,20 à 0,35 mm isotrope) taille de voxel de visualiser spatialement différences de contraste de l'image qui sont utilisés pour localisées inférer frontières entre les sous-zones 35,37. Même à 7T-9.4T et avec une telle petite taille de voxel, les caractéristiques des sous-zones de l'hippocampe cytoarchitectoniques ne sont pas visibles. En tant que tel, les protocoles manuels de segmentation ont été développés qui approximate les limites histologiques connus sur les images RM. Ces protocoles déterminer les limites de sous-zones par l'interprétation des différences de contraste d'image locales et la définition de règles géométriques (telles que les lignes et les angles droits) par rapport aux structures visibles. Bien que les images prises à une intensité de champ élevée sont en mesure d'offrir un aperçu détaillé de sous-champs de l'hippocampe, les scanners à champ élevé ne sont pas encore très répandue dans les milieux cliniques ou de recherche, de sorte que les protocoles 7T et 9.4T ont actuellement applicabilité limitée. Des protocoles similaires ont été développés pour les images recueillies sur 3T et 4T scanners 11,20,21,23,24,25,28,33. Beaucoup de ces protocoles sont basés sur les images avec des sous-1mm dimensions voxels de voxels dans le plan frontal, mais avoir de grandes épaisseurs de tranche (0,8-3 mm) 11,20,21,23,25,28,33 ou de grandes distances inter-tranche 20,28, les deux qui se traduisent par un biais de mesure important dans l'estimation des volumes de sous-champs individuels. En outre, la plupart des protocoles existants 3Texclure les sous-champs dans tout ou partie de la tête ou la queue 20,23,25,33 hippocampe ou ne fournit pas segmentations détaillées de structures importantes (par exemple, combiner le DG avec CA2 / CA3 ou ne comprennent pas les strates radiatum / lacunosum / moleculare de le CA) 11,20,21,23,24,25,28,33. Il existe donc un besoin dans le domaine pour une description détaillée d'un protocole qui peut identifier de manière fiable sous-champs pertinents tout au long de la tête, le corps et la queue de l'hippocampe qui est basé sur un scanner couramment disponible dans les paramètres cliniques et de recherche. Des efforts sont actuellement en cours par le sous-zones Groupe hippocampe (www.hippocampalsubfields.com) d'harmoniser le processus de segmentation de la sous-zone de l'hippocampe entre les laboratoires, semblable à un effort d'harmonisation existante pour toute la segmentation de l'hippocampe 6, et un premier document comparant 21 protocoles existants a été publié récemment 38 . Le travail de ce groupe va encore élucider segmentation optimale procédures.
Ce manuscrit fournit des instructions écrites et détaillées vidéo pour mettre en œuvre de manière fiable le protocole sous-champ de segmentation de l'hippocampe décrit précédemment par Winterburn et ses collègues 34 sur des images haute résolution 3T MR. Le protocole a été mis en œuvre sur cinq images de témoins en bonne santé pour l'ensemble de l'hippocampe et de cinq sous-zones de l'hippocampe (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté, strates radiatum / lacunosum / moleculare et subiculum). Ces images segmentées sont à la disposition du public en ligne (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Le protocole et les images segmentées seront utiles pour les groupes qui souhaitent étudier en détail l'hippocampe neuroanatomie dans les images IRM.
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Protocol
Etude participants
Le protocole dans ce manuscrit a été développé pour représentatifs cinq images à haute résolution recueillies chez des volontaires sains (3F, 2M, 29-57 ans, AVG 37.) Qui étaient libres de troubles et les cas de traumatisme crânien grave neurologiques et neuropsychiatriques. Tous les sujets ont été recrutés au Centre de toxicomanie et de santé mentale (CAMH). L'étude a été approuvée par le Comité d'éthique de la recherche CAMH et a été menée en conformité avec la Déclaration d'Helsinki. Tous les sujets prévus écrite, le consentement éclairé pour l'acquisition des données et le partage. Pour plus de détails au sujet de la séquence d'acquisition utilisée pour recueillir ces images, s'il vous plaît se référer à Winterburn et al., 2013 et Park et al., 2014. 26,34 Images pour les cinq sujets ont été contrôlés pour la qualité et conservés. L'hippocampe a duré une moyenne de 118 coupes coronales dans ces images.
1. Logiciel Set-up
- Ouvrir Affichage:
2. Le total des Hippocampus Manuel Segmentation
- Set-up: Utiliser une image pondérée en T1, faites défiler jusqu'à la tranche antérieure-plus coronaire de l'hippocampe. Pour faire avancer les tranches dans la direction antérieure, utilisez la touche «+»; utiliser la touche - pour se déplacer dans la direction postérieure ''.
- Tranche B: 1 Chef de l'hippocampe (figure 1B):
- , Inférieurs, latéraux, bords internes supérieurs: continuer à attirer les frontières comme décrit dans l'étape 2.2, en utilisant la substance blanche du lobe temporal et alveus comme un guide.
- Frontière Supero-médiale: Pour cela, l'aide de la vue axiale, tracez une ligne horizontale du bord antérieur de l'hippocampe latéral 29, et comprennent rien en dessous de cette ligne comme l'hippocampe.NOTE: La frontière supéro-médial devient plus ambigu dans ces tranches, où la matière grise de l'hippocampe se confond avec la matière grise de l'amygdale.
- Tranche C: hippocampe Chef 2 avec indentations: Selon le sujet, les indentations de l'hippocampe peuvent être visibles pendant 3-4 tranches (en général, ils sont plus visibles sur-pondérés par rapport à T2 images pondérées en T1). Dans ces tranches, continuer à utiliser la substance blanche du lobe temporal alveus et pour guider la segmentation 12,22 frontière. Pour plus de détails, suivez les étapes 2.5.1-2.5.2.
- Tranche D: Chef hippocampe 3:
- , Inférieurs, latéraux, bords internes supérieurs: dessiner la bordure inférieure de l'hippocampe à la substance blanche du lobe temporal, le bord latéral à la corne inférieure du ventricule latéral, le bord supérieur, suivant la courbe des indentations, à la substance blanche du alveus / frange, et la frontière médiale à la regio hypon de la citerne ambiante 12,22.
- Supero-médial et frontières inféro-médiale: continuons à définir la frontière supéro-médial comme décrit à l'étape 2.3.2. Dessiner la partie inférieure de la frontière médiale où l'hippocampe fluidifie légèrement et se prolonge dans la matière grise légèrement hyperintense du cortex entorhinal 12,22.
- Tranche E: hippocampe Head 4 avec Uncus: Continuer à tirer les frontières inférieures, latérales et supérieures décrites dans les étapes 2.5.1-2.5.2. Inclure l'uncus (qui est situé médaille au corps principal de l'hippocampe et est entouré par CSF de faible intensité) dans le hippocampe segmentation 12,2 2.
- Tranche F: hippocampe Corps: Continuer à tirer les frontières inférieures, latérales, médianes et supérieures décrites dans les étapes 2.5.1-2.5.2. Dessinez la frontière inféro-médial au point où l'hippocampe amincit sa transition vers cortex entorhinal / para-hippocampique gyrus 12,22.Ne pas inclure le CSF de faible intensité du sillon hippocampique résiduelle dans la segmentation.
- Slice G: Tail hippocampe 1: Commencez la segmentation de l'hippocampe tranches de type queue quand les crus de la voûte est d'abord visible. Exclure le gyrus fascicular (une structure de la matière grise qui se confond avec l'hippocampe dans certaines parties de la queue de l'hippocampe) de la segmentation par extrapolation de la forme du gyrus fascicular dans la queue de l'hippocampe de plusieurs tranches antérieures 12,22. Cette extrapolation est possible uniquement pour les tranches 2-3, après quoi les deux structures ne peuvent pas être distingués avec précision; à ce stade, de traiter toute la matière grise visible dans ce domaine comme l'hippocampe.
- Slice H: Tail hippocampe 2: Segment de la faible intensité de matière grise de la queue de l'hippocampe postérieur de la haute intensité de matière blanche environnante.
- Tranche I: le plus postérieur Slice: Segment de la petite zone restante de la matière grise de l'hippocampe dela substance blanche autour du lobe temporal.
3. La sous-zone de l'hippocampe Manuel Segmentation
- Set-up: Utiliser une image pondérée en T2, faites défiler jusqu'à la tranche antérieure-plus coronaire de l'hippocampe (comme dans l'étape 2.1). Pour changer la couleur du pinceau, sélectionnez D (Set Peinture Lbl :) dans le menu de segmentation dans la fenêtre de navigation. Le terminal de commande vous demandera: "Entrez étiquette de la peinture actuelle:". Entrez un nombre entre 1 et 255. Chaque numéro correspond à une étiquette de couleur différente.
- Tranche A: antéro-plus Slice: Depuis divisions de sous-zones ne sont pas encore visibles dans la partie antérieure plus à couper, dessiner une ligne divisant la matière visible de l'hippocampe grise le long de son axe visible la plus longue (qui ne sont pas nécessairement parallèle à l'un des axes cardinaux) dans deux sections égales rapproche de la véritable 12,22 anatomie. Étiqueter le supérieur de ces deux sections que CA1 et la section inférieure comme subiculum par choosing une étiquette de couleur différente pour chaque sous-champ 23,35.
- Tranche B: hippocampe Chef 1: Étiquette de la zone de faible intensité dans le milieu de la formation hippocampique SR / SL / SM 13,37. Lorsque le coude le long du bord inférieur de l'hippocampe devient clair, utiliser ce repère comme la frontière séparant le latéral subiculum du CA1 12,22. Continuez à suivre l'axe le plus long de l'hippocampe pour dessiner la bordure CA1-subiculum sur la pointe supéro-médial 37.
- Tranche C: Tête hippocampe 2 avec indentations:
- SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum: Label de la SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum comme décrit pour la tranche D (étape 3.5.1).
- CA2 / CA3 et CA1: Définir la frontière entre CA1 et CA2 / CA3 comme une ligne d'angle de 45 ° étendant dans la direction supéro-latérale entre le bord le plus supéro-latérale de la SR / SL / SM 12,22. Étendre la CA2 / CA3 médiane le long du bord supérieur à l'auge entre le dentations 12,22. Etiqueter le reste du bord supérieur comme CA1 12,22.
- Tranche D: hippocampe Chef 3
- SR / SL / SM, CA4 / DG, et subiculum: Marquez l'obscurité SR bande / SL / SM première, qui va suivre la courbe de la CA1 37. Étiqueter un à haute intensité de matière grise à l'intérieur de la SR / SL / SM comme CA4 / DG 12,22,23,35,37. Cela peut ne pas être une région continue, comme dans la figure 2C. Continuer à définir la frontière subiculum-CA1 utilisant le coude dans l'hippocampe inférieurs 12,22.
- CA2 / CA3 et CA1: continuera de définir les CA1 et CA2 / CA3 frontière comme à l'étape 3.4.2. Étendre la CA2 / CA3 dedans mi-chemin le long du bord supérieur de l'hippocampe 12,22 et étiqueter l'autre moitié du bord supérieur comme CA1 12,22.
- La tête de l'hippocampe Supero-médiale: Dans cette tranche, diviser la tête de l'hippocampe supéro-médial en deux verticalement. Label de la moitié médiale SR / SL / SM 12. Diviser le latéralmoitié en demi nouveau, cette fois à l'horizontale. Étiqueter la partie supérieure comme CA4 / DG et la partie inférieure comme CA2 / CA3 12.
- Tranche E: hippocampe Head 4 avec Uncus
- La tête de l'hippocampe latéral (subiculum): Dans la partie latérale de ces tranches, définir la frontière subiculum-CA1 comme une ligne verticale étendant dans la direction inférieure du bord le plus médial de la CA4 / DG 12,22.
- Chef latéral de l'hippocampe (CA1, CA2 / CA3, CA4 / DG, SR / SL / SM.): Définir la frontière CA1-CA2 / CA3 de la même manière que dans l'étape 3.4.2. Continuer à marquer le SR / SL / SM comme la région de faible intensité suivant la courbe des régions de Californie. Etiqueter le CA4 / DG que la cavité centrale à l'intérieur du SR / SL / SM, comme à l'étape 3.5.1.
- La tête de l'hippocampe Uncal (SR / SL / SM): étiqueter les uncus de l'hippocampe pendant environ 10 tranches que les transitions à la tête de l'hippocampe dans le corps de l'hippocampe. Dans l'uncus, étiqueter la région de faible intensité dans le centre SR / SL / SM (lorsque cela est difficile à voir, approcher l'anatomie en segmentant une ligne 2-3 voxels large place au centre de l'uncus) 12.
- La tête de l'hippocampe Uncal (CA2 / CA3, CA4 / DG): Tracez une ligne sur le bord supérieur de la SR / SL section / SM long de l'axe de inféro-latéral / supéro-médial de l'uncus. Étiqueter toute la matière grise au-dessus de cette ligne comme CA2 / CA3 12. Étiqueter toute la matière grise non marquée dessous de cette ligne (de chaque côté de la SR / SL / SM) que CA4 / DG 12.
- Tranche F: hippocampe Corps: Continuer d'appliquer les frontières décrites à l'étape 3.6.1-3.6.2.
- Slice G: Tail hippocampe 1: Continuer à appliquer les règles décrites dans l'étape 3.6.1-3.6.2. La frontière subiculum-CA1 devient une ligne 45º d'angle étendant dans la direction inféro-médial du bord médial de la CA4 / DG 12,22.
- Slice H: Tail hippocampe 2: Une fois le gyrus fasciculaires ne peuvent plus être distingués de la formatio hippocampiquen, étiqueter l'ensemble de la couche externe que CA1, la zone de faible intensité à l'intérieur de ce que SR / SL / SM (comme dans les tranches précédentes), et toute la matière grise reste dans le milieu comme CA4 / DG 12,22.
- Tranche I: le plus postérieur Slice: Une fois l'obscurité SR / SL / SM est plus visible dans le centre de la formation hippocampique, étiqueter l'ensemble de la structure que CA1 12,22.
4. Protocole Fiabilité
- Resegment soit la droite ou la gauche hippocampe de chaque sujet après avoir attendu environ un mois à partir de l'exécution de la segmentation originale. Segment de tous les sous-champs le long de toute la longueur antéro-postérieur de l'hippocampe, en essayant de suivre les règles de protocole aussi cohérente que possible.
- Calculer le kappa de dés entre les volumes originaux et resegmented:
où k = kappa et A et B sont Dice volumes d'étiquettes.
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Representative Results
. Les résultats de l'essai de la fiabilité du protocole sont résumés dans le tableau 2 Pour l'ensemble de l'hippocampe bilatérale, signifie chevauchement spatial tel que mesuré par le kappa de Dice est de 0,91 et varie de 0,90 à 0,92. Valeurs de kappa de sous-zones vont de 0,64 (CA2 / CA3) à 0,83 (CA4 / gyrus denté). Volumes moyens pour tous les sous-domaines et l'ensemble de l'hippocampe sont rapportées dans le tableau 3. Les volumes pour l'ensemble de l'hippocampe de 2456,72 à 3325,02 mm 3. Le CA2 / CA3 est le plus petit sous-champ à 208.33 mm 3, tandis que le CA1 est le plus grand au 3 857,46 mm.
Figure 1. La segmentation de l'ensemble de l'hippocampe pour 9 coupes coronales (AI) en utilisant des images pondérées en T1. Les lignes rouges verticales sur la surface de l'hippocampe illustrer l'emplacement de chaque tranche coronale. L'hippocampe est présent dans une unemo yen de 118 coupes coronales de chacun des cinq sujets inclus dans cette étude. Images progressent de antérieure (tranche 1) en haut à postérieure (tranche 118) au fond. Les images sont affichées dans la colonne de gauche, sans segmentation et à la segmentation dans la colonne de droite. La barre d'échelle montre 3 mm pour référence. Chiffres romains soulignent caractéristiques spécifiques identifiés dans le manuscrit de protocole. je. Le alveus distingue la matière grise de l'hippocampe de la matière grise de l'amygdale dans la partie antérieure plus-tranche. je je. La substance blanche du lobe temporal définit le bord inférieur de l'hippocampe dans la tête de l'hippocampe. iii. Le bord latéral de l'hippocampe dans la tête de l'hippocampe est la corne inférieure du ventricule latéral. iv. Le bord supérieur est défini par la matière blanche du alveus / fimbria. v. La frontière médiale de la tête de l'hippocampe est la citerne ambiante. vi. L'hippocampe inféro-médial se prolonge dans le cortex entorhinal, qui se présente comme un hyper-intense légèrementbande dans les images pondérées en T1. vii. Le uncus de l'hippocampe est présent dans la tête de l'hippocampe et peut être facilement distinguée de la CSF environnante. viii. Dans la direction de inféro-médial, la frontière entre le subiculum et le gyrus para-hippocampique est définie par un léger amincissement de la matière grise de l'hippocampe. ix. Le CSF du sillon hippocampique résiduelle ne sont pas inclus dans la segmentation. X. Le gyrus fascicular ne sont pas compris dans la segmentation de la queue de l'hippocampe où il est possible de le différencier. xi. Quand il n'y a pas plus possible de distinguer entre le gyrus fascicular et la queue de l'hippocampe, le gyrus fascicular est inclus dans la segmentation. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. Segmentation des sous-zones de l'hippocampe pour 9 coupes coronales (AI) en utilisant des images pondérées en T2. Les lignes rouges verticales sur la surface de l'hippocampe illustrer l'emplacement de chaque tranche coronale. L'hippocampe est présent en une moyenne de 118 coupes coronales dans chacun des cinq sujets inclus dans cette étude. Images progressent de antérieure (tranche 1) en haut à postérieure (tranche 118) au fond. Les images sont affichées dans la colonne de gauche, sans segmentation et à la segmentation dans la colonne de droite. La barre d'échelle montre 3 mm pour référence. Chiffres romains soulignent caractéristiques spécifiques identifiés dans le manuscrit de protocole. je. La région de faible intensité dans le centre de la tête de l'hippocampe est le SR / SL / SM. je je. Le coude uncal-forme sur le bord inféro-latérale de l'hippocampe marque la frontière entre le CA1 et subiculum. iii. La frontière subiculum-CA1 continue à être défini à la «plier» dans l'hippocampe inférieure à la tête de l'hippocampe. iv. La frontière entre CA1 etCA2 / CA3 est définie par un angle de 45 ° étendant dans le sens supéro-latérale à partir du bord le plus supéro-latéral de la SR / SL / SM. c. La CA2 / CA3 étend à mi-chemin le long du bord supérieur de l'hippocampe, à l'auge des dentelures, médiane à laquelle elle est étiqueté comme CA1. vi. La matière grise dans le centre de la tête de l'hippocampe est étiqueté comme CA4 / DG. vii. Continuer à définir la frontière CA1-CA2 / CA3 comme un angle de 45 ° étendant dans le sens supéro-latérale à partir du bord le plus supéro-latéral de la SR / SL / SM. viii. Le CA2 / CA3 continue à s'étendre à mi-chemin le long du bord supérieur de l'hippocampe, en dedans de laquelle il est étiqueté comme CA1. ix. Dans la tranche D, la tête de l'hippocampe supéro-médial est divisé en sous-champs (voir l'étape 3.5.3). X. La frontière subiculum-CA1 est définie comme une ligne verticale allant de la frontière la plus médiale de la CA4 / DG. xi. Le SR / SL / SM continue d'être la région de faible intensité suivant la courbe des régions de Californie. xii. Dans la partie uncal de la tête de l'hippocampe,la SR / SL / SM est la région de faible intensité dans le centre de la uncus. Si cela ne peut pas être vu, tracer une ligne 2-3 pixels de large le centre de l'uncus. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Tableau 1. supérieure, inférieure, médiale, et les frontières latérales pour les sous-zones de l'hippocampe pour neuf tranches représentatifs long mesure antéro-postérieur de l'hippocampe. Les frontières sont décrits pour les images pondérées en T2. WM = substance blanche; GM = Grey Matter; MTL = Medial lobe temporal.
| La structure | Tranche | Border Supérieur | Bord inférieur | Bord médial | Bordure latérale | CA1 | La plupart antéro-Slice | WM du alveus | À mi-ligne de la matière grise de l'hippocampe, le long de l'axe le plus long (frontières subiculum) | WM du alveus | WM du alveus |
| Hippocampe Chef 1 | WM du alveus | SR / SL / SM; inférolatérale frontière avec subiculum au «coude» de l'hippocampe | WM du alveus | WM du alveus | |
| Hippocampe Head 2 (avec indentations) | |||||
| Lateral | Suit la courbe de la SR / SL / SM; supéro-latérale frontière avec CA2 / CA3 | WM de la MTL | SR / SL / SM; inféromédiale avec subiculum au «coude» de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Medial | WM du alveus; supéro-médial frontière avec CA2 / CA3 | Faible intensité SR / SL / SM | Faible-intensity SR / SL / SM | CA2 / CA3 | |
| Hippocampe Chef 3 | |||||
| Lateral | Suit la courbe de la SR / SL / SM; supéro-latérale frontière avec CA2 / CA3 | WM de la MTL | SR / SL / SM; inféromédiale avec subiculum au «coude» de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Medial | WM du alveus; supéro-médial frontière avec CA2 / CA3 | Faible intensité SR / SL / SM | Faible intensité SR / SL / SM | CA2 / CA3 | |
| Hippocampe Head 4 (avec Uncus) | Suit la courbe de la SR / SL / SM; supéro-latérale frontière avec CA2 / CA3 | WM de la MTL | SR / SL / SM; inféromédiale frontière avec subiculum ligne verticale le long du bord médial du CA4 / DG | WM du alveus | |
| Corps de l'hippocampe | Suit la courbe de la SR / SL / SM; wit supéro-latérale frontièreh CA2 / CA3 | WM de la MTL | SR / SL / SM; inféromédiale frontière avec subiculum ligne verticale le long du bord médial du CA4 / DG | WM du alveus | |
| Tail hippocampique 1 | SR / SL / SM; supérolatérale frontière avec CA2 / CA3 | WM de la MTL | Suit la courbe de la SR / SL / SM; frontière supéro-médial avec le subiculum long de la ligne parallèle au bord du CA4 / DG | WM du alveus | |
| Tail hippocampique 2 | Frontière Supero-latérale avec le WM de l'alveus / fimbria | WM de la MTL | WM de la MTL | WM de la MTL | |
| Plus postérieur Slice | Frontière Supero-latérale avec le WM de l'alveus / fimbria | Reste de la structure est bordé par la WM du lobe temporal | WM de la MTL | WM du alveus / fimbria | |
| Subiculum | La plupart antéro-Slice | À mi-ligne de l'hippopotamecampal matière grise, le long axe le plus long (borde CA1) | WM de la MTL | WM du alveus | WM du alveus |
| Hippocampe Chef 1 | SR / SL / SM; CA1 sur le bord supéro-médial | WM de la MTL | WM du alveus | CA1, à «plier» dans l'hippocampe | |
| Hippocampe Head 2 (avec indentations) | SR / SL / SM | WM de la MTL | Cortex entorhinal (zone de faible intensité de la médiane de l'hippocampe inférieure) | CA1, à «plier» dans l'hippocampe | |
| Hippocampe Chef 3 | SR / SL / SM | WM de la MTL | Cortex entorhinal (zone de faible intensité de la médiane de l'hippocampe inférieure) | CA1, à «plier» dans l'hippocampe | |
| Hippocampe Head 4 (avec Uncus) | CSF de la citerne ambiante | WM de la MTL; inféro-médial frontière au cortex entorhinal où la bande corticale amincit slightly et de l'intensité du signal tombe | CSF de la citerne ambiante | CA1 long de la ligne parallèle au bord du CA4 / DG | |
| Corps de l'hippocampe | CSF de la citerne ambiante | WM de la MTL; inféro-médial frontière au cortex entorhinal où la bande corticale fluidifie légèrement et signaler gouttes d'intensité | CSF de la citerne ambiante | CA1 long de la ligne parallèle au bord du CA4 / DG | |
| Tail hippocampique 1 | GM du gyrus fascicular (où peut être séparé de l'hippocampe GM) | WM de la MTL | Difficile de déterminer; extrapoler à partir de plusieurs tranches antérieures / postérieures | CA1 long de la ligne parallèle au bord du CA4 / DG | |
| Tail hippocampique 2 | N / A | ||||
| Plus postérieur Slice | N / A | ||||
| CA2 / CA3 | La plupart antéro-Slice | N / A | N / A | ||
| Hippocampe Head 2 (avec indentations) | |||||
| Lateral | WM du alveus | Faible intensité SR / SL / SM | CA1 mi-chemin le long du bord supérieur de l'hippocampe; si indentations visibles, essayer d'estimer à mi-chemin | Frontière inféro-latéral avec CA1 angle de 45 ° le long de la plupart bord supéro-latérale de SR / SL / SM | |
| Medial | CA4 / DG mi-chemin le long de l'extension de l'hippocampe superiorinferior | CA1 à la base de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | SR / SL / SM à mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Hippocampe Chef 3 | |||||
| Lateral | WM du alveus | Faible intensité SR / SL / SM | À mi-longueur CA1bord supérieur de l'hippocampe | Frontière inféro-latéral avec CA1 angle de 45 ° le long de la plupart bord supéro-latérale de SR / SL / SM | |
| Medial | CA4 / DG mi-chemin le long de l'extension de l'hippocampe superiorinferior | CA1 à la base de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | SR / SL / SM à mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Hippocampe Head 4 (avec Uncus) | |||||
| Lateral | WM du alveus | CA4 / DG | CSF de la citerne ambiante | Frontière inféro-latéral avec CA1 angle de 45 ° le long de la plupart bord supéro-latérale de SR / SL / SM | |
| Medial | CSF de la citerne ambiante | Ligne parallèle à bord supérieur du SR / SL / SM | CSF de la citerne ambiante | CSF de la citerne ambiante | |
| HCorps ippocampal | WM du alveus | CA4 / DG | CSF de la citerne ambiante | Frontière inféro-latéral avec CA1 angle de 45 ° le long de la plupart bord supéro-latérale de SR / SL / SM | |
| Tail hippocampique 1 | WM du alveus | Ligne horizontale de bord inférieur étendant du point de SR / SL / SM plus latérale, suivant modèle de plusieurs tranches antérieures; inféromédiale frontière avec CA4 / DG | WM du fimbria | WM du fimbria | |
| Tail hippocampique 2 | N / A | ||||
| Plus postérieur Slice | N / A | ||||
| CA4 / DG | La plupart antéro-Slice | N / A | |||
| Hippocampe Chef 1 | N / A | ||||
| Hippocampe Head 2 (avec indentations) | Suit la courbe de faible intensité SR / SL / SM | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de la citerne ambiante | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Lateral | Faible intensité SR / SL / SM | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de la citerne ambiante | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Medial | Utilisez la vue axiale de tracer une ligne horizontale médiane du bord antérieur de l'hippocampe latérale | CA2 / CA3 mi-chemin le long de l'extension de l'hippocampe superiorinferior | SR / SL / SM à mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Hippocampe Chef 3 | |||||
| Lateral | Faible intensité SR / SL / SM | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de la citerne ambiante | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Medial | CSF de la citerne ambiante | CA2 / CA3 mi-chemin le long de l'extension de superiorinferior hippocampus | SR / SL / SM à mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | WM du alveus | |
| Hippocampe Head 4 (avec Uncus) | |||||
| Lateral | Faible intensité SR / SL / SM | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de la citerne ambiante | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Medial | Ligne parallèle à bord supérieur du SR / SL / SM | CSF de citerne ambiante | CSF de citerne ambiante; faible intensité SR / SL / SM | CSF de citerne ambiante; faible intensité SR / SL / SM | |
| Corps de l'hippocampe | CA2 / CA3 | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de citerne ambiante | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Tail hippocampique 1 | CA2 / CA3 et fimbria | Faible intensité SR / SL / SM | CSF de ventricule latéral | Faible intensité SR / SL / SM | |
| Tail hippocampique 2 | N / A | ||||
| Plus postérieur Slice | N / A | ||||
| SR / SL / SM | Antéro-tranche plus | N / A | |||
| Hippocampe Chef 1 | Faible intensité SR / SL / SM dans le centre de CA1 et subiculum | ||||
| Hippocampe Head 2 (avec indentations) | Utilisez la vue axiale de tracer une ligne horizontale médiane du bord antérieur de l'hippocampe latérale | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | CSF de citerne ambiante | CA2 / CA3 et CA4 / DG mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | |
| Hippocampe Chef 3 | Utilisez la vue axiale de tracer une ligne horizontale médiane du bord antérieur de l'hippocampe latérale | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | CSF de citerne ambiante CA2 / CA3 et CA4 / DG mi-chemin le long de la largeur de l'extension supérieure-inférieure de l'hippocampe | ||
| Hippocampe Head 4 (avec Uncus) | |||||
| Lateral | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | ||||
| Medial | Faible intensité SR / SL / Smin milieu (lorsque difficile à voir, avec une ligne approximative de 203 voxels de large) | CSF de citerne ambiante | CA4 / DG | CA4 / DG | |
| Corps de l'hippocampe | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | ||||
| Tail hippocampique 1 | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | ||||
| Tail hippocampique 2 | Faible intensité SR / SL / SM entourant CA4 / DG | ||||
| Plus postérieur Slice | N / A | ||||
fo:. keep-with-previous.within-page = "always"> Tableau 2. Résultats Protocole de fiabilité pour tous les cinq sous-champs et l'hippocampe ensemble des cinq sujets segmentés manuellement Resegmentations ont été effectuées sur soit la droite ou la gauche hippocampe de chaque sujet. Coefficient Kappa moyen de Dice reflète la moyenne sur les cinq sujets.
| La structure | Coefficient Kappa moyen de Dice (plage) |
| CA1 | 0,78 (0,77 à 0,79) |
| CA2 / CA3 | 0,64 (0,56 à 0,73) |
| CA4 / gyrus denté | 0,83 (0,81 à 0,85) |
| SR / SL / SM | 0,71 (0,68 à 0,73) |
| Subiculum | 0,75 (0,72 au 0,78) |
| Whole hippocampe | 0,91 (de 0,90 à 0,92) |
Tableau 3. sous-champ moyen et volume de l'hippocampe entiers.
| La structure | Volume (gamme) moyenne (mm 3) |
| CA1 | 857,46 (720.17-981.68) |
| CA2 / CA3 | 208,33 (155.10-281.57) |
| CA4 / gyrus denté | 615,50 (500.16-763.01) |
| SR / SL / SM | 687,22 (576.61-895.59) |
| Subiculum | 390,79 (277.21-445.95) |
| Whole hippocampe | 2759,31 (2456.72-3325.02) |
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Discussion
Hippocampe segmentation du sous-champ dans les images IRM est bien représentée dans la littérature. Cependant, les protocoles existants excluent des parties de l'hippocampe 20,23,33,35, appliquent uniquement aux images fixes 37, ou exigent des scanners ultra-haut champ pour l'acquisition de l'image 35,37. Ce manuscrit offre un protocole de segmentation qui comprend cinq grandes subdivisions (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté, SR / SL / SM, et subiculum) de l'hippocampe et couvre toute la longueur antéro-postérieur de la structure. Les atlas segmentés complets sont disponibles au public en ligne (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Ce travail est applicable à de nombreux groupes dans le domaine de la neuro-imagerie, et aidera à limiter certaines des divergences existantes dans la sous-zone de l'hippocampe segmentation.
Les tests de fiabilité du protocole montre un degré élevé de chevauchement spatial entre les étiquettes originales et resegmented, qui reflète une grande fiabilité intra-évaluateur (Tableau 2). Une valeur de kappa de 0,91 pour l'ensemble de l'hippocampe se compare favorablement avec d'autres valeurs rapportées dans la littérature 35,37. Les fiabilités intra-évaluateur de la plupart des sous-champs comparent aussi bien avec d'autres protocoles de segmentation similaires; Cependant, certaines structures ont fiabilités inférieurs 25,33,35,37 .Cet peuvent être le résultat d'inclure la SR / SL / SM sous-champ dans le présent protocole où d'autres groupes ne le font pas, ce qui se traduit dans les sous-zones adjacentes (subiculum, CA1, et CA2 / CA3) étant plus mince, et donc plus lourdement pénalisés par kappa la métrique de l'Dice 33,35. En outre, le processus de retest utilisé dans ce protocole est peut-être plus rigoureux et donc plus représentatif de la vraie fiabilité de protocole que ceux utilisés par d'autres groupes. La totalité de la longueur antéro-postérieur d'un hémisphère de chaque sujet a été resegmented, tandis que d'autres groupes avec le segment supérieur fiabilités seulement quelques coupes coronales 23,33,37 .Le sous-champ aveckappa plus bas (0,64) est le CA2 / CA3, qui est une petite structure mince. Il a été montré précédemment que l'erreur intra-évaluateur pour tous les sous-champs de ce protocole est supérieure à une simulation de 0,3 mm erreur de translation dans chaque direction cardinale, ou une simulation de 1% de dilatation / contraction de 34 étiquettes. En d'autres termes, l'erreur de resegmentation d'emploi est plus petit que l'introduction d'une petite erreur systématique, qui prend en charge la haute reproductibilité d'emploi du protocole.
L'évaluateur expert manuel étudié chacun des cinq images haute résolution en détail afin de déterminer lequel des sous-champs présents dans l'histologie de Duvernoy pourrait être vu 12. Il a été déterminé qu'il était pas possible de différencier de manière fiable l'CA2 de la CA3, afin d'accroître la fiabilité du protocole, ils ont été combinées en une seule structure. Cette règle suit le précédent des groupes précédents 33,37. Il n'a pas été possible de distinguer le CA4 du moleculare cornée,couche granuleuse et la couche polymorphe du gyrus denté dans les images, ou de faire la distinction entre les couches de gyrus denté eux-mêmes. Le CA4 et toutes les couches gyrus denté ont donc été regroupées en une seule étiquette (CA4 / DG). Il est, en fait, un débat dans la communauté sous-champ de segmentation de l'hippocampe de savoir si la région CA4 devrait être considéré comme une partie de la corne d'Ammon, comme avec Duvernoy 12, ou comme une partie du gyrus denté, comme Amaral 3. La méthode présentée dans ce manuscrit accueillir ces deux points de vue, et suit le travail des groupes de segmentation MR précédente 23,28,33,35,37. Les strates radiatum, lacunosum et moleculare de la corne d'Ammon aussi ne pouvait pas être distingué séparément, de sorte ont été combinées en une seule étiquette, comme avec les groupes précédents 37.
L'analyse la plus précise de la neuroanatomie est par sectionnement et de la coloration histologique, mais ce type d'analyse souffre d'un certain nombre de questions: LimiTed accès aux spécimens fixes (qui se traduit par de très petites tailles d'échantillons); l'expertise nécessaire pour préparer les échantillons; distorsions du cerveau après la fixation; et les difficultés dans l'application d'un atlas fixes au numérique, dans 1,2,8 de données in vivo. En imagerie ex vivo, des temps d'acquisition longues d'un cerveau fixe dans un scanner RM fournit également une image détaillée de la neuroanatomie, mais comme avec l'histologie, le numéro de l'échantillon est limité et il existe des différences morphométriques entre le fixe et in vivo du cerveau 37. In vivo MR imagerie a une résolution limitée, mais offre la possibilité pour des échantillons de taille beaucoup plus grande, ainsi que la possibilité pour l'imagerie d'un seul sujet en de multiples points de temps. En allongeant le temps d'acquisition sur les scanners standards d'intensité de champ (dans les limites de l'objet de confort), le niveau de détail disponible en images in vivo devient suffisante pour résoudre la neuroanatomie sous-niveau sur la structure. L'acquisition utilisé pour les images segœuvre dans ce protocole offre donc un compromis raisonnable entre la disponibilité de l'échantillon et la résolution d'image.
Ce protocole a été développé pour des images haute résolution MR tels que ceux utilisés pour illustrer les étapes de protocole dans ce manuscrit 26,34. Des images haute résolution ont été acquis sur un scanner 3T en profitant de longues durées de balayage et l'image de la moyenne. Le temps total de parcours à la fois des acquisitions FSPGR-Bravo et FSE-CUBE ensemble était un peu moins de 2 heures. Il est reconnu que ce balayage est une longueur prohibitive pour des applications cliniques: cette séquence a été réalisée ici à titre d'illustration pour le protocole de segmentation. Les auteurs estiment que le protocole de segmentation décrit dans ce manuscrit pourrait être adapté à des images avec un temps de cycle plus court, par exemple d'une acquisition d'3T unique (par opposition à 3 acquisitions pour chaque type de contraste, tel qu'il est utilisé par Winterburn et al., 2013 34 et Park et al., 2014 26 7,27.
Le protocole a été conçu et mis en œuvre sur des images de sujets en bonne santé, mais pourrait également être appliqué (soit manuellement, soit en utilisant un pipeline de segmentation automatique 7,16,27) à des images de populations malades tels que les patients atteints de la maladie d'Alzheimer, pour qui l'atrophie sévère rend le hippocampus une structure particulièreintérêt. 5,30 En dépit de cette atrophie, monuments entourant l'hippocampe et le contraste d'intensité dans les images signifierait le protocole de segmentation serait encore largement viable. Cependant, ces images cliniques seraient probablement être acquis sur un scanner avec une intensité de champ beaucoup plus faible, comme 1.5T, où la résolution serait trop faible pour être en mesure de voir des sous-structures.
Le type de logiciel utilisé pour effectuer les segmentations est pertinent, car il est important d'être capable de regarder la structure des points de vue multiples (c.-à-coronal, sagittal, axial). En outre, l'utilisation d'une visualisation en 3D de la surface de la structure peut être utilisée pour aplanir la topologie globale de l'hippocampe. Souvent voxels errants ou des formes illogiques ne sera pas évident dans les plans cardinaux 2-dimensionsal, mais seront très claire sur une surface 3D. Sur les images à haute résolution, le protocole applique à environ 118 coupes coronales et nécessite plus de 40 heures de work par sujet par un évaluateur expert manuel précédemment formés. Cette quantité de travail manuel limite l'applicabilité du protocole complet un vaste sujet ensemble. Il serait possible de mettre en œuvre une version modifiée du protocole comme une mesure de gagner du temps: par exemple, tous les autres coupe coronale pourrait être segmenté pour fournir une estimation des volumes de sous-zones, ou de sous-champs pourrait être combiné, par exemple tous corne d'Ammon sous-champs ( CA1, CA2 / CA3, et SR / SL / SM).
En conclusion, ce manuscrit présente un protocole de segmentation manuel détaillé pour l'ensemble de l'hippocampe et de cinq sous-zones de l'hippocampe (CA1, CA2 / CA3, CA4 / gyrus denté, strates radiatum / lacunosum / moleculare et subiculum). Ce protocole a été appliqué à cinq sujets, et les atlas ont été mis à disposition au public (cobralab.ca/atlases/Hippocampus). Ces atlas permettent à d'autres laboratoires intéressés par la segmentation de l'hippocampe pour effectuer des segmentations fiables et reproductibles des sous-zones de l'hippocampe surnouveaux ensembles de données d'image.
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Acknowledgments
Les auteurs tiennent à remercier le soutien de la Fondation de CAMH, grâce à Michael et Sonja Koerner, la famille Kimel, et Paul E. Garfinkel nouveau chercheur Catalyst Award. Ce projet a été financé par le Fonds de Recherches Santé Québec, les Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC), le Conseil de recherches en génie du Canada, l'Institut du cerveau Weston, la Société Alzheimer du Canada en sciences naturelles et et la Fondation Michael J. Fox pour la recherche sur la maladie de Parkinson (MMC), ainsi que les IRSC, la Fondation pour la santé mentale de l'Ontario, NARSAD, et l'Institut national de santé mentale (R01MH099167) (ANV). Les auteurs tiennent également à remercier Anusha Ravichandran d'assistance acquisition des images.
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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