Comment mesurer pliant corticale à partir d'images IRM: un tutoriel pas-à-pas à calculer l'indice gyrification locale

L'objectif général de cette procédure est de quantifier le repliement cortical ou la gyrification avec une résolution exquise basée sur l'IRM cérébrale. Cela est réalisé en créant d'abord des représentations tridimensionnelles précises des surfaces corticales à l'aide du logiciel gratuit de surface. La deuxième étape consiste à construire une surface externe qui épouse étroitement la surface du cortex à l'aide d'un algorithme de fermeture morphologique.

Ensuite, des centaines de régions circulaires superposées sont créées sur la surface externe et appariées à leur zone corticale correspondante. Le rapport entre les deux régions correspondantes est alors calculé en chaque point, produisant des cartes individuelles de distorsion locale, qui peuvent ensuite être utilisées pour des comparaisons statistiques entre différents groupes diagnostiques. Enfin, la mesure de la structure corticale chez des enfants adultes, des adolescents ou des adultes peut révéler un développement cortical anormal survenu durant les premiers mois de la vie.

Le principal avantage de cette méthode par rapport aux techniques existantes, telles que celles fondées sur la courbure ou la géométrie morphologique des cellules, est qu'elle fournit une mesure facilement interprétable de la ification, sans contrainte imposée par les parois circulaires, tout en offrant une résolution exquise. Cette méthode peut nous aider à répondre à certaines questions clés concernant le développement de troubles psychiatriques ou de troubles neurodéveloppementaux. En d'autres termes, nous pouvons comprendre comment des événements neurodéveloppementaux très précoces, comme le repliement cortical, peuvent ultérieurement influencer le développement de pathogénèses à l'âge adulte.

Nous avons eu pour la première fois l'idée de cette technique lorsque nous avons réalisé que l'indice d'ification utilisé en neuroanatomie comparative depuis des décennies pouvait constituer un indicateur très puissant du développement cérébral, à condition de pouvoir surmonter les problèmes liés à sa mise en œuvre. La méthode vous sera démontrée par Mari, qui est chercheuse senior dans notre équipe, ainsi que par Mari Ra, chercheuse senior dans le laboratoire de Jean Philip Tran. Cette première partie du protocole utilise le pipeline FreeSurfer standard.

Les commandes décrites ici présentent une méthode permettant d'obtenir les reconstructions de la surface corticale, mais des commandes équivalentes peuvent également être utilisées pour importer les données brutes au format DICOM dans FreeSurfer. Commencez par créer l'architecture des dossiers. Ensuite, accédez au dossier IRM du sujet et convertissez les données IRM brutes au format FreeSurfer.

Ensuite, visualisez le volume converti. Vérifiez la qualité de l'image en contrôlant que l'orientation est correcte, que le contraste est suffisant et que l'image n'est pas déplacée. Puis, à l'aide de FreeSurfer, créez les modèles tridimensionnels du maillage cortical.

Cela fonctionne pendant plusieurs heures afin de traiter le problème de Barrett. Cellie Free Surfer crée d'abord un volume unitaire de substance blanche, qui est ensuite utilisé comme point de départ pour la surface blanche supérieure. Tout d'abord, le processus de reconstruction optimise la surface grise-blanche selon le gradient local d'intensité.

Ensuite, cette surface est davantage étendue jusqu'à l'interface grise entre la substance grise et le LCR afin de créer le modèle en tas. Le processus de reconstruction produit deux modèles en maillage 3D composés d'environ 150 000 points par hémisphère. Le modèle blanc représente l'interface entre la substance grise et la substance blanche, et le modèle en tas représente l'interface grise entre la substance grise et le LCR.

Toutes les surfaces et volumes sont dans leur espace d'origine, permettant des mesures sans déformation. Vérifiez maintenant la précision de ces surfaces reconstruites en superposant les deux surfaces. L'exemple montre l'alignement du sujet fourni avec le package FreeSurfer.

Veillez à ce que la surface blanche suive précisément l'interface gris-blanc et à ce que les vaisseaux et la membrane ne soient pas inclus dans la surface du cortex, afin de corriger manuellement le résultat du processus de reconstruction. Consultez les tutoriels disponibles sur le wiki de FreeSurfer. Lorsque vous êtes satisfait des surfaces, calculez l'indice de giration locale ou LGI.

Cette commande s'exécute généralement pendant environ trois heures pour les deux hémisphères d'un participant à l'étude. Selon la puissance de votre station de travail, le processus LGI commence par la création d'une surface externe à l'aide d'une opération de fermeture morphologique. Ensuite, environ 800 régions circulaires superposées d'intérêt sont créées sur la surface externe.

Pour chacune de ces régions, une région d'intérêt correspondante est définie sur la surface du tas. L'ensemble du calcul aboutit à la création d'une carte individuelle contenant une valeur d'ILG pour chaque point de la surface corticale. Cela donne environ 150 000 valeurs par hémisphère à la fin du calcul de l'ILG.

Les deux hémisphères de chaque sujet peuvent être vérifiés comme corrects dans FreeSurfer. Les valeurs de LGI sont généralement comprises entre un et cinq. Le seuil minimal peut être fixé à un pour un contrôle rapide.

Le but d'une comparaison statistique de groupes est de quantifier l'effet d'un groupe à chaque sommet de la phase de la surface corticale tout en contrôlant l'effet du sexe et de l'âge. Commencez par créer un modèle spécifique à l'étude, en fournissant tous vos sujets et entrées. Cette commande crée un sujet nommé average.

Ensuite, afin d'utiliser les commandes classiques pour comparer les résultats de l'ILG entre les groupes, créez un fichier texte contenant la description des sujets impliqués dans votre étude. Ce fichier est également appelé fichier descripteur de groupe FreeSurfer. Ensuite, rééchantillonnez les données de l'ILG dans cet espace du sujet moyen pour chaque hémisphère.

Lissez les données sur la surface corticale afin de réduire le rapport signal sur bruit. Calculez maintenant la comparaison de groupe au niveau de chaque sommet. Cette étape nécessite la création d'un fichier texte de contraste.

Par exemple, dans le cas du texte FSG D, le fichier texte de contraste doit contenir les valeurs un moins un zéro afin de calculer la différence entre les témoins et les patients tout en tenant compte de l'âge et du sexe. Enfin, exécutez la comparaison. Ensuite, visualisez les résultats sur le sujet moyen à l'aide de TK surfer en chargeant le fichier de données nouvellement généré.

L'analyse par sommet crée une carte statistique affichant des valeurs P codées en couleurs superposées à chaque point. Cet exemple montre une réduction significative, principalement dans les régions médiales du cerveau. À l'aide de l'option de configuration de la superposition, vous pouvez modifier davantage le seuil de P ainsi que corriger les comparaisons multiples à l'aide du taux de découverte de faux positifs.

Q deck est une interface utilisateur graphique mise en œuvre dans FreeSurfer, comme décrit précédemment à l'aide de la ligne de commande. Vous aurez également besoin d'un modèle spécifique à l'étude pour utiliser Q deck avec l'indice de localisation locale. Tout d'abord, pré-lissez les données LGI ; Q deck nécessite la construction d'un tableau de données.

Cela inclut la description des différents groupes et d'autres variables de confusion telles que l'âge. Si le LGI n'est pas disponible dans la liste des variables dépendantes dans Q deck, ajoutez alors la ligne suivante au fichier RC de Q deck situé dans votre répertoire personnel. En utilisant Q deck, vous obtiendrez exactement les mêmes résultats qu'avec la ligne de commande, et vous pourrez en outre corriger les comparaisons multiples à l'aide de simulations de Monte Carlo.

Bien que l'indice de localisation corticale ait été conçu pour une analyse au niveau des sommets, la moyenne des données à un niveau plus grossier peut s'avérer instructive. Pour des analyses exploratoires, les valeurs moyennes de l'ILC peuvent être extraites pour les 34 régions gyriques du schéma de parcellisation corticale intégré dans FreeSurfer. Ces mesures peuvent ensuite être comparées entre les différents groupes à l'aide de logiciels classiques de statistiques.

Ainsi, l'analyse par parcelles peut constituer un moyen intéressant de limiter le nombre de comparaisons statistiques. Toutefois, l'ILG en chaque point quantifie déjà la stratification dans les régions environnantes d'intérêt. Par conséquent, l'ILG moyen dans les régions d'intérêt données peut également refléter dans une certaine mesure l'hétérogénéité des régions voisines d'intérêt.

Pour les solutions aux problèmes pouvant survenir lors du traitement FreeSurfer ou LGI, consultez les archives de la liste de diffusion FreeSurfer. Conjointement à cette procédure, d'autres méthodes telles que l'épaisseur corticale ou la tractographie T peuvent être combinées. Cela vous permettra d'observer comment les changements précoces en matière de ification s'associent au développement cortical ultérieur ou au développement des voies de substance blanche.

Après avoir visionné cette vidéo, vous devriez bien comprendre comment créer une représentation tridimensionnelle de la surface corticale, comment établir des cartes individuelles de plissement cortical, et comment les comparer entre groupes afin de détecter des altérations statistiquement significatives du repliement cortical.