Hoge-resolutie structurele Magnetic Resonance Imaging van de Human subcortex In Vivo En Postmortem
30 december 2015
Hier presenteren we een protocol om het minimale aantal beelden te bepalen dat geregistreerd en gemiddeld moest worden om subcorticale structuren op te lossen en te testen of de individuele lagen van de LGN op te lossen waren bij afwezigheid van fysiologische ruis.
Het algemene doel van dit experiment is om de resolutiegrenzen van structurele MRI te testen om subcorticale structuren in zowel de postmortem als levende menselijke hersenen op te lossen en te vergelijken. Onderzoek in ons lab heeft betrekking op het bestuderen van de kleine subcorticale kernen binnen patiëntenpopulaties. Gezien hun kleine omvang en duplicatie in de hersenen, zijn ze moeilijk te bestuderen.
We hebben een protocol ontwikkeld dat deze subcorticale structuren in zowel postmortem als levende menselijke hersenen oplost. Het voordeel van deze techniek is de vermindering van de scanduur, wat nuttig is in klinische toepassingen. MRI-resolutie wordt beperkt door ruis, dus we wilden bepalen wat de uiteindelijke resolutie zou zijn.
In afwezigheid van de grootste bronnen van ruis, namelijk hoofdbeweging van het onderwerp, puls en ademhaling. Verkrijg alle beschreven beeldvorming met een drie TMRI-scanner uitgerust met een 32-kanaals hoofdspoel. In deze video worden stappen gedemonstreerd met behulp van een Siemens MAGOME TRIO drie TMRI-scanner voor beeldvormingssessies van studie deelnemers. Zorg ervoor dat u eerst een MRI-veiligheidsscreening uitvoert.
Bekijk vervolgens de details van het neuroimaging protocol en laat ze een patiënt toestemmingsformulier ondertekenen terwijl u de deelnemer klaarmaakt voor scannen. Oordoppen worden in de oren van de deelnemer geplaatst. Zet vervolgens hun hoofd vast met pads om hoofdbeweging te minimaliseren.
Tijdens het beeldvormen bij het verkrijgen van scans met een postmortem hersenen, zorg ervoor dat de hersenen vastzitten voorafgaand aan neuroimaging en zich in een waterdichte zak of container bevinden die past binnen de MRI-hoofdspoel. Plaats de hersenen in de hoofdspoel met de Z-as uitgelijnd met de boring van de scanner met de hersenstam naar het voeteneinde van de scannerbank gericht. Plaats ook vacuümkussens rond de hersenen voor extra ondersteuning.
Voor het scannen, selecteert u het patiënttabblad in de linkerbovenhoek. Gebruik het registratietabblad om de juiste onderwerpinformatie in te vullen. Klik vervolgens op het onderzoekstabblad in het onderzoeksverkennertabblad.
Begin met het maken van een nieuw LOCALIZER-scanprotocol. Gebruik in het instellingsvenster het routine contrast en resoluties tabblad om de parameters in te voeren zoals hier op het scherm te zien is. Maak vervolgens een nieuw protocol dat zal worden gebruikt voor het verkrijgen van de hoogwaardige protondichtheid gewogen scans. Stel dit in de coronale oriëntatie in met behulp van de parameters die hier op het scherm te zien zijn.
Verminder de bandbreedte tot het minimum mogelijk om de signaal-ruisverhouding te maximaliseren. Om de scanduur te verkorten, kies 18 plakken van elk één millimeter dik met een veld van zicht van 160 millimeter. Plaats vervolgens het slice-selectievakje voor het verkrijgen van de protondichtheidbeelden over de localizer.
Zorg ervoor dat de subcorticale kernen binnen de thalamus evenals omliggende structuren worden bedekt. Start vervolgens de scan voor betrouwbare identificatie van subcorticale structuren. Verkrijg vijf runs met deze parameters.
Bij het uitvoeren van postmortem hersenbeeldvorming, kan betrouwbare identificatie van subcorticale structuren worden waargenomen in slechts één scan met een totale duur van ongeveer drie minuten volgens hetzelfde scanprotocol. Gebruik de gratis beschikbare FSL-software om de gegevens te analyseren. Begin met het openen van een terminalvenster.
Converteer vervolgens de ruwe DICOM-bestanden van de scanner voor elk protondichtheidvolume naar een handig formaat. Typ in de opdrachtregel de opdracht die hier wordt gezien, DCM naar NII, gevolgd door de directory van elk afbeelding. Uitvoeren. Verkrijg vervolgens de parameters van de oorspronkelijke protondichtheidscan.
Maak vervolgens een hoge resolutie lege doelvolume met de helft van de voxelgrootte van deze parameters. Om dit in elk teksteditorprogramma te doen, definieer eerst de transformatie met behulp van een identiteitsmatrix zoals hier te zien is en sla het op als een tekstbestand met de naam identity dot matt. Gebruik vervolgens de flirt-opdracht om de transformatie toe te passen, waarbij elk originele run wordt bemonsterd om de totale resolutie te verdubbelen.
Dit resulteert in een 10 24 matrix en halvering van de voxelgrootte in elke dimensie. Verplaats nu alle hoge resolutieafbeeldingen naar een nieuwe map. Vervolgens voor elke deelnemer, concateneer alle UPS bemonsterde protondichtheidafbeeldingen in een enkele vier D-bestand.
Gebruik de FSL merge commando motion om deze geconcateneerde bestanden te corrigeren. Gebruik de URT-opdracht om een correctie in vier fasen te selecteren, die sync-interpolatie gebruikt als een verdere optimalisatiepassage voor grotere nauwkeurigheid. Maak vervolgens de 3D gemiddelde afbeelding met behulp van FSL maths.
Visualiseer vervolgens het uiteindelijke resultaat, 3D hoge resolutiebeeld, met behulp van de FSL view-opdracht. Maak nu regio's van interesse, ook wel ROI's genoemd. Gebruik FSL view om de hoge resolutie afbeelding te laden.
Selecteer vervolgens in het tabblad tools het tabblad enkele afbeelding om het beeld voor het tekenen van ROI's te vergroten. Klik vervolgens op het bestandstabblad gevolgd door masker maken, teken een lijn in de ROI en sla op. Gebruik ten slotte AF acne's 3D mask dump-opdracht om de afbeelding, intensiteiten en locatie van de zojuist gemaakte ROI-maskers te extraheren.
De resultaten worden uitgevoerd als een tekstbestand, dat kan worden gebruikt voor verdere analyse. Deze reeks afbeeldingen vergelijkt volumegemiddelden in in vivo en postmortem hersenen. Merk op dat de postmortem hersenen duidelijke afbakening van subcorticale structuren in één protondichtheid gewogen volume vertonen, terwijl een minimum van vijf gemiddelde afbeeldingen vereist is voor de in vivo hersenen. Om dit detail te bieden, toont deze coronale doorsnede in een in vivo hersenbeeld duidelijke afbakening van de LGN en andere subcorticale structuren, en hier zien we een andere doorsnede van dezelfde hersenen gemiddeld in 40 protondichtheid volumes in dezelfde sessie met dezelfde beeldvormingsparameters.
Deze postmortem hersensnede werd verkregen in één protondichtheid volumescan en biedt duidelijke afbakening van subcorticale structuren
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een protocol dat gericht is op het bepalen van het minimale aantal beelden dat nodig is voor registratie en middeling om subcorticale structuren in het menselijk brein op te lossen. Er wordt specifiek getest op het vermogen om individuele lagen van de nucleus geniculatus lateralis (LGN) te onderscheiden, terwijl fysiologische ruis tot een minimum wordt beperkt.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk vakgebied
- Neurowetenschappen
- Structurele MRI
- Subcorticale structuren
Achtergrond
- Subcorticale kernen zijn klein en lastig te bestuderen.
- Onderzoek heeft zich gericht op patiëntenpopulaties om deze structuren te begrijpen.
- Resolutiebeperkingen van MRI kunnen de bestudering van deze kernen belemmeren.
- Het verkorten van de scantijd is voordelig voor klinische toepassingen.
Doel van de studie
- Om de resolutiegrenzen van structurele MRI te testen.
- Om subcorticale structuren in postmortale en levende hersenen te vergelijken.
- Om een protocol te ontwikkelen dat deze structuren effectief in beeld brengt.
Gebruikte methoden
- Structurele MRI-beeldvormingstechnieken.
- Registratie en middeling van beelden.
- Evaluatie van de impact van fysiologische ruis.
- Vergelijking van resultaten van postmortale en levende hersenen.
Belangrijkste resultaten
- Het protocol brengt subcorticale structuren succesvol in beeld.
- Individuele lagen van de LGN kunnen worden onderscheiden.
- De scanduur is aanzienlijk verkort.
- De bevindingen dragen bij aan het begrip van de resolutiegrenzen van MRI.
Conclusies
- Het ontwikkelde protocol verbetert de studie van subcorticale structuren.
- Het biedt een nuttige benadering voor klinische MRI-toepassingen.
- Verder onderzoek kan voortbouwen op deze bevindingen om beeldvormingstechnieken te verbeteren.
Veelgestelde vragen
Industriële relevantie voor executives
Hoge-resolutie structurele MRI van de menselijke subcortex maakt een nauwkeurige afbakening van kleine kernen mogelijk, wat een directe impact heeft op vroege ontdekkingen en translationele neurowetenschappelijke pijplijnen. Door de resolutielimieten en ruisbeperkingen in zowel postmortale als in vivo settings te definiëren, biedt dit protocol een basis voor de predictieve betrouwbaarheid bij de identificatie van subcorticale targets en de ontwikkeling van kwantitatieve biomarkers. De aanpak ondersteunt risico-gecorrigeerde beslissingen bij de verdere ontwikkeling van neurotherapeutische portfolio's door anatomische grenzen te verduidelijken die cruciaal zijn voor mechanistische risicovermindering.
Strategische toepassingen in Biofarmaceutische R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Maakt het mogelijk om de integriteit van subcorticale structuren te onderzoeken voor targetvalidatie in neuropsychiatrisch en neurodegeneratief onderzoek.
- Vermindert mechanistische ambiguïteit door anatomische referentiedata met een hoge resolutie te leveren voor kleine kernen.
- Ondersteunt de voorspellende betrouwbaarheid bij het selecteren van ziekterelevante subcorticale targets voor verder onderzoek.
Screening & Assayontwikkeling
- Faciliteert de preparatie van gevalideerde anatomische regio's van interesse voor daaropvolgende beeldvormingsgebaseerde assays.
- Verbetert de reproduceerbaarheid en standaardisatie van de afbakening van subcorticale ROI's tussen verschillende studies.
- Maakt kwantitatieve meting van afhankelijke variabelen mogelijk, zoals signaalintensiteit en volume in gedefinieerde kernen.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Lijnt beeldvormingsresultaten uit met translationele biomarkerstrategieën door cross-species en cross-modale vergelijkingen mogelijk te maken.
- Zorgt voor continuïteit van discovery-beeldvorming naar preklinische validatie van subcorticale targets.
- Ondersteunt risico-gecorrigeerde voortgang door anatomische eindpunten te verduidelijken die relevant zijn voor ziektemodellen.
Integratie van pipeline en workflow
Dit protocol is geïntegreerd in het continuüm van ontdekking tot preklinisch onderzoek door een gestandaardiseerde methode te bieden voor subcorticale beeldvorming met een hoge resolutie, ter ondersteuning van zowel hypothesetoetsing als kwantitatieve analyse.
- Ontdekkingsbiologie: Ondersteunt het toetsen van nulhypothesen voor de aanwezigheid van subcorticale targets en anatomische differentiatie.
- Screening: Levert reproduceerbare, kwantitatieve imaging-outputs voor ROI-gebaseerde screening-workflows.
- Analytiek: Maakt statistische vergelijking van signaalintensiteit en volume over verschillende condities en cohorten mogelijk.
- Translationeel onderzoek: Slaat een brug tussen in vivo en postmortem imaging voor biomarker-afstemming en modelvalidatie.
- Hergebruik binnen de organisatie: Vestigt een herbruikbare imaging- en analysepipeline voor studies naar subcorticale structuren.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellend vertrouwen en de anatomische precisie voor de validatie van subcorticale doelen.
- Operationele waarde: Standardiseert beeldvormingsprotocollen en verkort de scantijd voor zowel klinische als onderzoeksomgevingen.
- Strategische waarde: Maakt betere go/no-go-beslissingen mogelijk door anatomische eindpunten te verduidelijken en biologische risico's te verminderen.
- Impact op portfolio: Ondersteunt de risico-gecorrigeerde prioritering van neurotherapeutische programma's die gericht zijn op subcorticale structuren.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in de bediening van hoogveld MRI en het afbakenen van neuroanatomische ROI's.
- Toegang tot geavanceerde MRI-hardware en opensource-beeldanalysehulpmiddelen (bijv. FSL) is noodzakelijk.
- Vereist cross-team standaardisatie van beeldparameters en ROI-definities.
- Aanpassing kan nodig zijn voor verschillende subcorticale regio's of ziektemodellen.
- Fysiologische ruis en beperkingen in de scanduur moeten worden meegewogen bij in vivo toepassingen.
