Wie kortikale Faltung von MR-Bildern messen: eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Local Gyrification Index Compute

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die kortikale Faltung oder Differenzierung mit exquisiter Auflösung basierend auf zerebralen MRT-Aufnahmen zu quantifizieren. Dies wird erreicht, indem zunächst mithilfe der FreeSurfer-Software genaue dreidimensionale Darstellungen der kortikalen Oberflächen erstellt werden. Der zweite Schritt besteht darin, eine äußere Oberfläche zu konstruieren, die eng an der Pial-Oberfläche anliegt, wozu ein morphologischer Schließalgorithmus verwendet wird.

Danach werden über der äußeren Oberfläche Hunderte sich überlappender kreisförmiger Regionen erstellt und diesen entsprechenden kortikalen Arealen zugeordnet. Anschließend wird an jedem Punkt das Verhältnis beider korrespondierender Regionen berechnet, wodurch individuelle Karten der lokalen ifikation entstehen, die anschließend für statistische Vergleiche zwischen verschiedenen diagnostischen Gruppen verwendet werden können. Letztendlich kann die Messung der kortikalen Struktur bei erwachsenen Kindern, Jugendlichen oder Erwachsenen abnormale kortikale Entwicklungen aufdecken, die in den ersten Lebensmonaten aufgetreten sind.

Der Hauptvorteil dieser Methode im Vergleich zu bestehenden Techniken wie krümmungsbasierten oder zellulären morphologischen Geometrien liegt darin, dass sie eine leicht interpretierbare Messung der Faltung bietet, die nicht durch kreisförmige Begrenzungen eingeschränkt ist und außerdem eine exzellente Auflösung ermöglicht. Diese Methode kann uns helfen, einige zentrale Fragen bezüglich der Entstehung psychiatrischer Erkrankungen oder neurodevelopmentaler Störungen zu beantworten. Mit anderen Worten: Wir können verstehen, wie sehr frühe neurodevelopmentale Vorgänge wie die kortikale Faltung später die Entstehung von Pathogenese im Erwachsenenalter beeinflussen können.

Die Idee zu dieser Technik entstand, als uns bewusst wurde, dass der Indikator, der seit Jahrzehnten in der vergleichenden Neuroanatomie verwendet wurde, ein äußerst aussagekräftiges Maß für die Gehirnentwicklung sein könnte, wenn es gelänge, die Probleme in seiner bisherigen Anwendung zu überwinden. Die Methode wird Ihnen von Mari, einer leitenden Wissenschaftlerin in unserer Gruppe, sowie von Mari Ra, leitende Wissenschaftlerin im Labor von Jean Philip Tran, vorgeführt. Dieser erste Teil des Protokolls verwendet die standardmäßige FreeSurfer-Pipeline.

Die hier beschriebenen Befehle erläutern eine Möglichkeit, die kortikalen Oberflächenrekonstruktionen durchzuführen, jedoch können auch äquivalente Befehle verwendet werden, um die rohen MRI-DICOM-Daten in FreeSurfer zu importieren. Erstellen Sie zunächst die Ordnerstruktur. Navigieren Sie danach zum MRI-Ordner Ihres Probanden und konvertieren Sie die rohen MRI-Daten in das FreeSurfer-Format.

Danach das umgewandelte Volumen visualisieren. Überprüfen Sie die Bildqualität, indem Sie sicherstellen, dass die Ausrichtung korrekt ist, der Kontrast ausreichend ist und das Bild nicht verschoben wurde. Erstellen Sie anschließend mit FreeSurfer dreidimensionale kortikale Netzmodelle.

Dies läuft mehrere Stunden lang, um das Problem von Barrett zu bewältigen. Cellie Free Surfer erstellt zunächst ein einheitliches Volumen der weißen Substanz, das später als Ausgangspunkt für die große weiße Oberfläche dient. Zuerst optimiert der Rekonstruktionsprozess die grau-weiße Grenzfläche entsprechend dem lokalen Intensitätsgradienten.

Diese Oberfläche wird anschließend weiter zur grauen Zerebrospinalflüssigkeits- (CSF-)Grenzfläche ausgedehnt, um das Stapel-Mesh-Modell zu erstellen. Der Rekonstruktionsprozess erzeugt zwei 3D-Mesh-Modelle, die jeweils aus etwa 150.000 Punkten pro Hemisphäre bestehen. Das weiße Modell stellt die Grenzfläche zwischen grauer und weißer Substanz dar, und das Stapel-Modell stellt die graue CSF-Grenzfläche dar.

Alle Oberflächen und Volumina befinden sich in ihrem nativen Raum, wodurch Messungen ohne Verzerrung möglich sind. Überprüfen Sie nun die Genauigkeit dieser rekonstruierten Oberflächen, indem Sie die beiden Oberflächen übereinanderlegen. Das Beispiel zeigt die Ausrichtung für den Probanden, der zusammen mit dem FreeSurfer-Paket verteilt wird.

Stellen Sie sicher, dass die weiße Oberfläche genau der grau-weißen Grenzfläche folgt und dass die Gefäße und die Membran nicht in die Pileus-Oberfläche einbezogen werden, um das Ergebnis des Rekonstruktionsprozesses manuell zu korrigieren. Konsultieren Sie die Tutorials im FreeSurfer-Wiki. Wenn Sie mit den Oberflächen zufrieden sind, berechnen Sie den lokalen Faltungsindex oder LGI.

Dieser Befehl läuft normalerweise etwa drei Stunden lang für die beiden Hemisphären eines Studienteilnehmers. Abhängig von der Leistungsfähigkeit Ihrer Workstation beginnt der LGI-Prozess mit der Erstellung einer äußeren Oberfläche unter Verwendung einer morphologischen Schließoperation. Anschließend werden etwa 800 sich überlappende, kreisförmige Regionen von Interesse auf der äußeren Oberfläche erstellt.

Für jeden dieser Bereiche wird ein entsprechender interessierender Bereich auf der Oberfläche des Stapels definiert. Die gesamte Berechnung führt zur Erstellung einer individuellen Karte, die einen LGI-Wert für jeden Punkt der kortikalen Oberfläche enthält. Dies führt am Ende der LGI-Berechnung zu etwa 150.000 Werten pro Hemisphäre.

Beide Hemisphären jedes Probanden können in FreeSurfer als korrekt überprüft werden. LGI-Werte liegen typischerweise zwischen eins und fünf. Die minimale Schwelle kann für eine schnelle Überprüfung auf eins festgelegt werden.

Der Zweck eines statistischen Gruppenvergleichs besteht darin, den Effekt einer Gruppe an jedem Vertex über die kortikale Oberflächenphase hinweg zu quantifizieren, während gleichzeitig der Einfluss von Geschlecht und Alter berücksichtigt wird. Beginnen Sie mit der Erstellung einer studienspezifischen Vorlage, indem Sie alle Ihre Probanden und Eingabedaten angeben. Dieser Befehl erstellt einen Probanden namens average.

Danach, um die klassischen Befehle zur Vergleichung der LGI-Ergebnisse zwischen Gruppen zu verwenden, erstellen Sie eine Textdatei, die die Beschreibung der an Ihrer Studie beteiligten Probanden enthält. Diese wird auch als Free-Surfer-Gruppenbeschreibungsdatei bezeichnet. Anschließend resamplen Sie die LGI-Daten in diesem Raum des Durchschnittsprobanden für jede Hemisphäre.

Glätten Sie die Daten auf der kortikalen Oberfläche, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Berechnen Sie nun den Gruppenvergleich auf Ebene jedes Vertex. Dazu muss eine Kontrast-Textdatei erstellt werden.

Beispielsweise sollte die Kontrast-Textdatei im Fall von FSG D-Text die Werte eins minus eins null enthalten, um den Unterschied zwischen Kontrollpersonen und Patienten zu berechnen, wobei Alter und Geschlecht berücksichtigt werden. Führen Sie abschließend den Vergleich durch und visualisieren Sie die Ergebnisse am Durchschnittssubjekt mit TK Surfer, indem Sie die neu generierte Datendatei laden.

Die knotenweise Analyse erstellt eine statistische Karte, die farbkodierte p-Werte als Überlagerung an jedem Punkt zeigt. Dieses Beispiel zeigt eine signifikant verminderte Aktivität, hauptsächlich in medialen Bereichen des Gehirns. Mithilfe der Option „Überlagerung konfigurieren“ können Sie den p-Wert-Schwellenwert weiter anpassen und zudem Korrekturen für multiple Vergleiche mittels der falschen Entdeckungsrate (False Discovery Rate) vornehmen.

Q deck ist eine grafische Benutzeroberfläche, die in FreeSurfer wie zuvor mit der Befehlszeile beschrieben implementiert ist. Für die Verwendung von Q deck mit Lokalisierungsindex benötigen Sie außerdem eine studienspezifische Vorlage. Zunächst muss eine Vorglättung durchgeführt werden; die LGI-Daten von QE erfordern die Erstellung einer Datentabelle.

Dazu gehört die Beschreibung der verschiedenen Gruppen und weiterer störender Variablen wie des Alters. Falls das LGI nicht in der Liste der abhängigen Variablen in Q deck verfügbar ist, fügen Sie die folgende Zeile der Q deck RC-Datei hinzu, die sich in Ihrem Home-Verzeichnis befindet. Mit Q deck erhalten Sie exakt dieselben Ergebnisse wie über die Befehlszeile, und Sie können außerdem Korrekturen für multiple Vergleiche mithilfe von Monte-Carlo-Simulationen vornehmen.

Auch wenn der lokale Gyrifizierungsindex für eine knotenweise Analyse entwickelt wurde, kann die Mittelung der Daten auf einer gröberen Ebene aufschlussreich sein. Für explorative Analysen können mittlere LGI-Werte für die 34 Gyrus-Regionen des im FreeSurfer integrierten kortikalen Parzellierungsschemas extrahiert werden. Anschließend können diese Messungen zwischen den verschiedenen Gruppen mithilfe klassischer statistischer Software verglichen werden.

Daher kann eine Analyse nach Teilbereichen eine attraktive Methode sein, um die Anzahl statistischer Vergleichsgründe zu begrenzen. Allerdings quantifiziert der LGI an jedem Punkt bereits die Stratifikation in den umgebenden interessierenden Regionen. Folglich kann der durchschnittliche LGI in den gegebenen Regionen von Interesse ebenfalls bis zu einem gewissen Grad die Differenzierung in den benachbarten Regionen von Interesse widerspiegeln.

Bei Problemen, die während der FreeSurfer- oder LGI-Verarbeitung auftreten können, sollten die Archive der FreeSurfer-Mailingliste konsultiert werden. Zusammen mit diesem Verfahren können andere Methoden wie die kortikale Dicke oder die Traktographie der T-Trakte kombiniert werden. Dies ermöglicht es Ihnen, zu untersuchen, wie frühe Veränderungen in der Faltung mit der weiteren kortikalen Entwicklung oder der Entwicklung der weißen Substanz-Trakte zusammenhängen.

Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man dreidimensionale Darstellungen der kortikalen Oberfläche erstellt, individuelle Karten der Furchung erzeugt und diese zwischen Gruppen vergleicht, um statistisch signifikante Verschlechterungen der kortikalen Faltung zu erkennen.