Artigo de método

Um protocolo abrangente para segmentação manual das estruturas do lobo temporal medial

DOI:

10.3791/50991

⸱

2 de julho de 2014

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Psychology Department, University of Illinois Urbana-Champaign, 2Neuroscience Program, University of Illinois Urbana-Champaign, 3Beckman Institute for Advanced Science and Technology, University of Illinois Urbana-Champaign

* These authors contributed equally

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Resumo

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O presente trabalho fornece um conjunto abrangente de diretrizes para o traçado manual das estruturas do lobo temporal medial (MTL). Esse protocolo pode ser aplicado a pesquisas envolvendo investigações estruturais e/ou combinadas de ressonância magnética estrutural-funcional (MRI) do MTL, tanto em grupos saudáveis quanto clínicos.

Resumo

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

O presente artigo descreve um protocolo abrangente para traçado manual do conjunto de regiões do cérebro que compreende o lóbulo medial temporal (MTL): amígdala, o hipocampo e as regiões hipocampal associados (perirrinal, entorhinal e hipocampal adequada). Diferentemente da maioria dos outros protocolos de rastreamento disponíveis, geralmente concentrando-se em determinadas áreas (por exemplo, MTL, amígdala e / ou hipocampo), a perspectiva integradora adotada pelas diretrizes atuais de rastreamento permite a clara localização de todas as sub-regiões MTL. Ao integrar informações de uma variedade de fontes, incluindo os protocolos de rastreamento existentes visando separadamente várias estruturas MTL, relatórios histológicos, e atlas do cérebro, e com o complemento de materiais visuais ilustrativos, o presente protocolo fornece um guia preciso, intuitivo, e conveniente para a compreensão da anatomia MTL. A necessidade de tais diretrizes de rastreamentotambém é enfatizada por ilustrando as possíveis diferenças entre os protocolos de segmentação automática e manual. Este conhecimento pode ser aplicado para a pesquisa envolvendo não só as investigações de ressonância magnética estrutural, mas também co-localização e sinal de fMRI extração estrutural-funcional de ROIs anatomicamente definidas, em grupos saudáveis ​​e clínicos similares.

Introdução

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O lobo temporal medial (MTL), uma área de putativo do mais alto nível de integração das informações sensoriais 1, tem sido um assunto freqüente de análises direcionadas. Por exemplo, o hipocampo e as áreas hipocampal associados têm sido extensivamente estudadas na pesquisa de memória 2-5. Além disso, o papel da amígdala tem sido frequentemente enfatizado na pesquisa que examina emoção processamento e interações emoção-cognição 6-11. Recentemente, várias regiões MTL também têm recebido atenção no campo emergente da neurociência personalidade, que liga a estrutura e função dessas e de outras regiões do cérebro para a variação individual em traços de personalidade 12. A avaliação da anatomia e função das estruturas MTL pode ser importante para facilitar o diagnóstico de doenças degenerativas em que as anomalias estruturais e funcionais específicas podem ocorrer em diferentes estruturas MTL. Por exemplo, na doença de Alzheimer (DA), um significativotroféu do córtex entorrinal e hipocampo pode ser observado 13,14, e atrofia do hipocampo pode prever a transição de comprometimento cognitivo leve e 15 AD. Algoritmos automáticos de segmentação recentemente se tornaram populares para segmentar estruturas corticais e subcorticais, mas como com qualquer ferramenta, estes programas inevitavelmente encontrar erros em alguns casos. Em tais casos, um pesquisador deve estar equipado com o conhecimento e as diretrizes para reconhecer as fronteiras anatômicas das estruturas MTL. A tendência na literatura existente tem sido alvo sub-regiões MTL individuais 16-21, com muitos protocolos que tendem a se concentrar em hipocampo 16-19.

Ao contrário da maioria das diretrizes publicadas disponíveis para rastreamento MTL, o presente protocolo fornece um conjunto abrangente de diretrizes que permitam a clara localização de todas as sub-regiões MTL. Traçando diretrizes para as seguintes estruturas MTL são descritos: a amígdala (AMY), o hipocampo (HC), o córtex perirhinal (PRC), o córtex entorrinal (ERC), eo córtex hipocampal (APS). A AMY eo HC são traçados em primeiro lugar, e são seguidas de giro hipocampal (GPH) estruturas. Note-se que o termo genérico HC é usado aqui para referir-se à formação de HC, o que engloba a HC adequada, o subiculum, e o segmento posterior do uncus 22-24. Além disso, note que o PHG pode ser dividido em dois segmentos, a porção anterior e a porção posterior. Dentro da porção anterior do PHG, ele pode ser dividido em o PHG anterior lateral e medial, cujas áreas cortical corresponde à República Popular da China e da ERC, respectivamente. A APS, a área cortical da porção posterior do PHG, corresponde ao córtex hipocampal adequada. Por razões de simplicidade, nós estaremos usando os termos RPC e ERC para se referir ao PHG anterior lateral e medial, e PHC para se referir ao PHG posterior. O segmentation para cada estrutura começa com uma localização grosseira das bordas anteriores e posteriores, juntamente com outros pontos de referência relevantes, que é depois seguido pelo traçado real realizado fatia-a-fatia no plano coronal, em uma anterior-posterior/rostro-caudal direção. Em todos os casos, as seções sagital e axial são monitoradas de perto para auxiliar a localização de fronteiras e pontos anatômicos.

A necessidade de tais orientações de rastreio é também ilustrado nas figuras indicam eventuais diferenças entre a produção de protocolos de segmentação automáticos e manuais. A vantagem de um protocolo que descreve todas as estruturas MTL no formato visual actual é que as variações na anatomia (por exemplo, o sulco colateral [CS] profundidade) que podem afectar as definições de fronteira pode ser descrita em contexto com a anatomia circundante (ex. , da RPC e ERC bordas medial e lateral variam em localização, dependendo da profundidade do CS 25 ). Isto pode não ser clara ou compreensível para um traçador inexperiente ou um traçador experiente que apenas traça estruturas simples ou separados, e para o nosso conhecimento, uma diretriz como visualmente abrangente não existe.

O presente protocolo é uma apresentação explícita das diretrizes utilizadas para rastreamento MTL em uma investigação anterior identificando contribuições diferenciais de sub-regiões MTL ao efeito de memória aumentando de emoção 26, adaptado às imagens resolução cerebrais superiores permitidos pela evolução recente da ressonância magnética estrutural (RM) . O traçado é ilustrado em scans obtidos a partir de um voluntário saudável (feminino, 24 anos), usando um scanner 3T MR. Imagens anatômicas foram adquiridos em 3D MPRAGE (TR = 1.800 ms; TE = 2,26 ms; FOV = 256 x 256 mm; tamanho do voxel = 1 x 0,5 x 0,5 mm) com uma aquisição ângulo paralelo ao AC-PC. Se os dados de imagem é adquirida com um ângulo de aquisição diferente, como orientação oblíqua, os dados devem ser reglivrado de um paralelo ou perpendicularmente à AC-PC, de modo que as descrições anatômicas marco traduzir de forma adequada. As imagens foram então convertidas para formato NIfTI e entrada em software segmentação 27 para o rastreamento manual. Dados de digitalização utilizados no protocolo atual foram coletados como parte de um estudo que foi aprovado pelo Conselho de Revisão Institucional, eo voluntário fornecido consentimento por escrito.

Ao desenhar a informação dos vários protocolos de rastreamento separados para estas estruturas 18-22,28-31, bem como de análises e atlas 23,32,33 anatômicas, o presente protocolo apresenta um conjunto abrangente de diretrizes que tratam de inconsistências na literatura existente. Complementado por materiais visuais que acompanham, este trabalho espera-se promover a compreensão mais clara das estruturas MTL, e despertar o interesse de futuras pesquisas na adoção de segmentação manual, como um método primário de rastreamento MTL ou como suplementaçãory método para segmentação automática. Ao fornecer um guia preciso, intuitivo, e conveniente para a compreensão da anatomia MTL, este protocolo vai ajudar os pesquisadores a identificar a localização de todas as sub-regiões MTL, em relação às suas estruturas vizinhas, mesmo quando apenas algumas estruturas MTL são especificamente orientadas para análises. Isto não só irá aumentar a precisão de localização, mas também irá ajudar a tomar decisões informadas traçadores em casos de variação morfológica, que é altamente provável no MTL. Estas orientações podem ser aplicadas às pesquisas envolvendo investigações de ressonância magnética estrutural e / ou funcionais do MTL, incluindo análises volumétricas e cérebro detecção de anomalias, bem como os procedimentos que localizam para funcional, anatômica e análises tractographic, em grupos saudáveis. O presente protocolo também pode ser usado para informar a segmentação de estruturas MTL para os pacientes (por exemplo, pacientes com atrofia), se os principais marcos anatômicos são relativamente preservadas. Rastreamento assunto clínicoDados 's podem levar tempo e esforço adicional, dependendo da gravidade da atrofia e / ou alterações anatómicas.

É importante ter em conta a distinção entre giros e córtices ao definir o ROI. Anatomicamente, giro aqui refere-se tanto matéria branca e cinzenta, enquanto córtex refere-se a cinza assunto só. Dependendo do uso pretendido do ROI, segmentações podem incluir matéria branca ou excluí-lo.

Recomendamos o traçado a ser realizada em seqüência, subestrutura por subestrutura, um hemisfério de cada vez. Alguns pacotes de software de 34 permitir detectar fronteiras delineadas em uma fatia para ser colado em fatias subseqüentes, um recurso que acelera o processo. É sempre aconselhável fazer referência ao hemisfério oposição, conforme necessário, a fim de verificar se há consistência entre os dois lados (por exemplo, na detecção de marcos anatômicos). Como alternativa, o traçado paralelo das mesmas estruturas dentro os dois hemisférioss também podem ser realizadas. Independentemente de saber se o traçado é seqüencial ou em paralelo, uma vez que o processo for concluído, os traçadores deve verificar o resultado final e fazer os ajustes necessários, fazendo referência a ambos os hemisférios e múltiplas visões de avião. Dependendo da experiência do traçador ea resolução dos dados de imagem, segmentação manual do MTL para dados sujeitos saudáveis ​​pode levar 8-10 horas ou mais, no caso de um traçador de principiante, a 3-4 horas, no caso de um experiente.

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Visão geral Figura 1. Um 3D do MTL, traçou com o presente protocolo. Estruturas aqui mostrados são o AMY (vermelho), o HC (azul), República Popular da China (amarelo), o CEI (rosa), ea APS (verde) .

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Protocolo

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1. Amygdala

  1. Anterior Fatias da AMY
    1. Identificar a primeira fatia do AMY em que a ínsula limen aparece inicialmente, onde a conexão entre a substância branca lobos frontal e temporal é contínua e visível 30. Na visão coronal, use o pacote angular como a fronteira inferolateral da AMY.
    2. Localize o quiasma como um marco para o surgimento da AMY. Use o axial e sagital para distinguir o AMY em seus primeiros fatias do uncus circundante. Siga o trato de matéria branca em torno da AMY na vista axial para excluir a área entorrinal 32.
    3. Movendo-se posteriormente, identificar a primeira fatia em que a comissura anterior é contínua ao longo de ambos os hemisférios 28, onde a AMY é visível em sua forma típica. Trace o AMY sentido anti-horário usando o sulco entorrinal como a fronteira superomedial, a linha imaginária do fundo do sulcu semianulars ao longo da matéria branco para a ponta inferior da AMY como a fronteira inferomedial, a haste temporal a borda lateral, para trás e para o sulco entorrinal para completar o 31 rastreio.
  2. Posteriores Fatias da AMY
    1. Note-se que, a este nível, quer o AMY e HC são visíveis na mesma fatia (s).
    2. Ainda no plano coronal, identificar a última fatia da AMY onde a estrutura é superior à extensão medial do corno temporal do ventrículo lateral 36 (ou do alveus se o ventrículo não está presente) e lateral para o giro uncinate, a protuberância da cabeça do HC. Confira os pontos de vista sagital e axial para rastreamento preciso e consistente.
    3. Desenhe uma linha imaginária a partir do fundo do sulco circular inferior da ínsula ao trato óptico como a borda superior da AMY 31, que também diferencia da matéria cinzenta do globo pálido e putâmen.
    4. Traçar o percursogiro semilunares como a fronteira superomedial e excluir o giro uncinado 32. Use corno inferior do ventrículo lateral e a haste temporais para a delimitação lateral.
  3. Fatias consecutivos da AMY no sentido ântero-posterior
    1. Sistematicamente traçar a fatia fatia by-AMY usando as orientações pertinentes acima. Na porção anterior da AMY, use os mesmos limites que para o anterior-mais fatia; por outro lado, na parte posterior da AMY, usar os mesmos limites como para a fatia de póstero-mais.
    2. Continuar a utilizar os pontos de vista axial e sagital para ajudar a definir e refinar ainda mais as fronteiras AMY.

2. Hippocampus

  1. Localizando o HC
    1. Comece traçando o HC quando o corno temporal do ventrículo lateral aparece ao longo da fronteira inferolateral da AMY. Se o corno temporal do ventrículo lateral já está presente em fatias anteriores, observe que poe aparecimento de HC é então indicada pelo corno temporal do ventrículo lateral alargando e alongamento superolaterally.
    2. Termine o traçado do HC com a sua última aparição inferomedial ao trígono do ventrículo lateral 31. Sempre utilizar as visões alternativas para ajudar a localizar o HC e suas fronteiras.
  2. Definições de Fronteira do HC
    1. Delinear o HC laterais contra o corno temporal. Nos casos em que o corno temporal do ventrículo lateral não é perceptível suficiente, excluir uma linha de voxels de segmentação para indicar que.
    2. Inferiormente, utilizar o feixe angular (ou a sua extensão imaginária) para a cavidade do ventrículo para separar a HC a partir do PHG. Use o alveus junto com as fímbrias como a fronteira superior. Trace o HC usando as mesmas definições ao longo.
    3. Para além disso, incluir o subiculum para a segmentação de tal modo que delimita o pacote medialmente matéria branca do PHG, alinha superiormentecom a curva de uncus, e estende-se essencialmente na horizontal a partir do HC 37. Rastreamento posteriormente, manter essas definições até o sulco calcarino intervém.
  3. Observando Divisões do HC
    1. Note-se que o HC pode ser dividido em três segmentos: cabeça, corpo e cauda.
    2. Utilizar a aparência do ápice uncus para marcar a passagem da cabeça de HC para o corpo do HC, e a rápida expansão ascendente e em tamanho, o qual tipicamente coincide com o aparecimento do pilar do fundo de saco, para significar o aparecimento da cauda HC 23,30,38.
  4. Preste atenção especial ao traçar as seguintes estruturas.
    1. Inclua o uncus posterior na segmentação.
    2. Omitir o plexo coróide acima do alveus da segmentação nos cortes coronais, embora isso possa não ser possível em imagens de baixa resolução.
    3. Consulte os dois pontos de vista alternativos para evitar a inclusão de cauda do caudate e pulvinar na face superior da cauda do HC.
    4. Evitar a inclusão do giro fascicular observando o seu surgimento, o nível do pilar do fundo de saco, em que, inicialmente, é separada a partir da cauda do hipocampo cinerea fasciola e mais posteriormente, torna-se a matéria cinzenta superior ao sulco calcarino 32.

figure-protocol-1
Figura 2. Uma fatia representativa sagital do MTL traçado usando o presente protocolo, mostrando sua posição real no cérebro, e as posições relativas entre seus principais estruturas, ou seja, a AMY (vermelho), o HC (azul), República Popular da China (amarelo), ERC (rosa), ea APS (verde).

3. Giro parahipocampal

  1. Observando Divisões do PHG
    1. Note que o ca PHGn ser dividido em dois segmentos principais: o PHG anterior (ou seja, a República Popular da China e ERC), eo PHG posterior (ou seja, o PHC).
    2. Note-se que no segmento anterior, a RPC aparece mais cedo do que a ERC, e flancos lateralmente através de todo o seu curso.
    3. Após a ERC desaparece, note que o PRC subsume seu lugar no PHG e continua por 3 mm.
    4. Para além deste segmento, rastrear o PHG posterior, em que o APS tem em toda a largura do PHG até a sua extremidade 30.
  2. Anterior Fatias do PHG
    1. Definir a primeira fatia do RPC com o aparecimento do CS 25,39. Antes do início do CEI, rastrear a RPC a partir do bordo medial do banco lateral do CS para o fundo lateral do giro de Schwalbe, ou que de um medial se dois giros de Schwalbe estão presentes, ou o ponto central da dorsal superfície temporopolar na ausência deste giro 25,39.
    2. Comece a traçar o mm a ERC 5nterior ao limen insula 40,41.
    3. Continuar o rastreio do CEI usando o fundo do sulco temporopolar medial como a extremidade superior de 40, e o fundo do sulco semianular após o AMY aparece, ou o ponto em que o prolongamento imaginário do feixe angular satisfaz a cavidade ventricular se o sulco é semianular indistinguíveis 25. Note-se que se estende inferiormente para atender a cavidade ventricular ou a superfície pial directamente.
    4. A fronteira entre a República Popular da China e da ERC pode variar de fatia a fatia.
      1. Quando o CS é profundo (≥ 1,5 cm), trace a RPC a partir da borda medial do banco medial deste sulco, ao ponto médio do seu banco lateral, 25.
      2. Em casos com um regular CS (profundidade de 1-1,5 cm), rastrear a RPC, tal como a zona do ponto médio do banco medial do sulco colateral à extremidade medial do banco lateral do sulco 25.
      3. Com um CS rasas (<1 cm), trace a RPC a partir do fundo deste sulco para o ponto médio da coroa do giro fusiforme 25.
    5. Quando o CS é interrompida, geralmente no nível do ápice uncal, por um pequeno giro emergentes de seu fundo de olho, trace o PRC para o fundo do sulco lateral 25. Incluir ou excluir substância branca de acordo com a meta para o ROI.
    6. Trace o CEI até 1,5 milímetros posterior para o vértice do uncus, ou no final do giro intralimbicus 42.
    7. Estender o traçado da RPC medialmente para ocupar o lugar do CEI após o seu término, onde as definições para que estes continuam a aplicar-se até 4,5 milímetros posterior ao ápice uncal, ou o fim do giro intralimbicus 42. A RPC é, então, substituído pelo PHC 25,30.
  3. Posteriores Fatias do PHG
    1. Comece a traçar o PHC no posterior fatia para o fim do PRC, até 4 de mm posterior para tele extremidade da cauda HC 32. Definições alternativas na literatura encontram-se descritos na secção Discussão. Mais uma vez, incluir ou excluir substância branca dependendo do objetivo.
    2. Delinear a APS, utilizando o mesmo método descrito na parte posterior da RPC, após o desaparecimento do CEI. Também use a substância branca do cíngulo como a borda superior, uma vez que aparece. Continuar o rastreio desta forma até que a aparência do sulco calcarino, o que restringe o APS superomedially para a borda inferior do sulco 30.
    3. Se um mini-sulco aparecer antes do surgimento do sulco calcarino, incluí-la na segmentação, mas ser cauteloso em diferenciá-lo do sulco calcarino.

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Resultados

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Ilustração de possíveis diferenças entre a segmentação manual e automática

Um modelo 3D da segmentação manual para o AMY, HC, RPC, CEI, e APS é mostrado na Figura 1, e uma secção sagital da segmentação é mostrado na Figura 2. Para o propósito de ilustrar extremas possíveis diferenças entre manual e automática traçados, fatias do AMY de um sujeito representativo com a segmentação automática errônea foram justapostos com traçado manual (veja <...

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Discussão

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Tradicionalmente, a segmentação manual foi considerado o padrão ouro por muitos pesquisadores. No entanto, uma determinação precisa das estruturas individuais tem sido complicada pela morfologia altamente variável das estruturas MTL, e por os geralmente fracos contrastes MRI destas estruturas contra as áreas circundantes do tecido e não neurais neurais. Historicamente, tem havido descrições conflitantes na literatura para algumas estruturas MTL. Em alguns casos de segmentar a RPC, por exemplo, o sulco colaterais tem sid...

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Divulgações

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Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.

Agradecimentos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Essa pesquisa foi financiada por fundos do FD. O MM foi apoiado por uma bolsa IGERT sob a Bolsa nº 0903622 da National Science Foundation. Os autores desejam agradecer aos membros do Laboratório Dolcos pela ajuda na coleta e preparação dos dados.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
ITK-SNAPEquipe ITK-SNAP na Universidade da Pensilvânia e na Universidade de UtahITK-SNAP v2.2
FSLGrupo de Análise de Imagem por Ressonância Magnética Funcional do Cérebro (FMRIB)FSL v4.1
Siemens Magnetom Trio 3T MR ScannerSiemensMagnetom Trio 3T

Referências

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Errata

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Formal Correction: Erratum: A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures
Posted by JoVE Editors on 9/01/2014. Citeable Link.

A correction was made to A Comprehensive Protocol for Manual Segmentation of the Medial Temporal Lobe Structures. Table 1 and its legend were updated. References 10 and 14 were also updated.

The references were updated from:

  1. Wager, T. D. & Smith, E. E. Neuroimaging studies of working memory: a meta-analysis. Cognitive, Affective & Behavioral Neuroscience. 3(4), 255-274 (2003).
  1. Scheltens, Ph, et al. Atrophyofmedialtemporallobeson MRIin 'probable' Alzheimer's disease and normal ageing: diagnostic value and neuropsychological correlates. Journal of Neurology, Neurosurgery, and Psychiatry. 55(10), 967-972, (1992).

to:

  1. Wager, T. D., Phan, K. L., Liberzon, I., & Taylor, S. F. Valence, gender, and lateralization of functional brain anatomy in emotion: a meta-analysis of findings from neuroimaging. Neuroimage. 19 (3), 513-31, doi:10.1016/S1053-8119(03)00078-8 (2003).
  1. de Leon, M. J. et al. Imaging and CSF studies in the preclinical diagnosis of Alzheimer's disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 1097, 114-145, doi:10.1196/annals.1379.012 (2007).

Table 1 had its legend updated from:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has underestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and Intracranial volume (ICV). For this subject, ICV = 1446616.73 mm3.

to:

Table 1. Representative volumetric results of the bilateral AMY and the HC of a single subject, from manual tracing using the present protocol and automatic segmentation. Automatic segmentation has misestimated the volume of each of the four structures compared. Corrected volume was calculated as the ratio between Voxel volume and ICV. For this subject, ICV = 1599482.11 mm3. Please click here to view a larger version of this figure.

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