Como medir o Folding Cortical partir de imagens de MR: um tutorial passo-a-Passo para Calcular Índice Gyrification local

O objetivo geral deste procedimento é quantificar a rolagem cortical ou a ificação com uma resolução excelente com base em ressonância magnética cerebral. Isso é realizado primeiramente criando representações tridimensionais precisas das superfícies corticais utilizando o software de superfície livre. O segundo passo é construir uma superfície externa que envolva firmemente a superfície do monte utilizando um algoritmo de fechamento morfológico.

Em seguida, centenas de regiões circulares sobrepostas são criadas sobre a superfície externa e associadas aos respectivos fragmentos da área cortical correspondente. Então, a razão entre ambas as regiões correspondentes é calculada em cada ponto, resultando em mapas individuais de amplificação local, que podem ser subsequentemente utilizados para comparações estatísticas entre diferentes grupos diagnósticos. Por fim, a medição da estrutura cortical em crianças adultas, adolescentes ou adultos pode revelar um desenvolvimento cortical anormal ocorrido nos primeiros meses de vida.

A principal vantagem deste método em comparação com técnicas existentes, como a baseada em curvatura ou na geometria da morfologia celular, é que ele fornece uma medida facilmente interpretável da ificação, que não é restrita pelas paredes circulares e também oferece resolução excelente. Este método pode nos ajudar a responder algumas questões fundamentais sobre o desenvolvimento de condições psiquiátricas ou transtornos neurodesenvolvimentais. Em outras palavras, podemos compreender como eventos neurodesenvolvimentais muito precoces, como o dobramento cortical, podem posteriormente impactar o desenvolvimento da patogênese na vida adulta.

Tivemos pela primeira vez a ideia desta técnica ao percebermos que o índice de ificação, utilizado em neuroanatomia comparativa há décadas, poderia ser um indicador muito poderoso do desenvolvimento cerebral se conseguíssemos superar os problemas na forma como era implementado. O método será demonstrado para vocês por Mari, que é pesquisadora sênior em nosso grupo, bem como por Mari Ra, que é pesquisadora sênior no Laboratório de Jean Philip Tran. Esta primeira parte do protocolo utiliza o pipeline padrão do Free Surfer.

Os comandos detalhados aqui descrevem uma maneira de obter as reconstruções da superfície cortical, mas comandos equivalentes também podem ser usados para importar o DICOM de MRI bruto para o FreeSurfer. Comece criando a estrutura de pastas. Em seguida, acesse a pasta de MRI do seu sujeito e converta a MRI bruta para o formato do FreeSurfer.

Em seguida, visualize o volume convertido. Verifique a qualidade da imagem conferindo se a orientação está correta, o contraste é suficiente e a imagem não está deslocada. A seguir, utilizando o FreeSurfer, crie os modelos tridimensionais da malha cortical.

Isso é executado por várias horas para lidar com o problema de Barrett. O Cellie Free Surfer cria primeiro um volume unitário de substância branca, que é usado posteriormente como ponto de partida para a superfície branca superior. Primeiro, o processo de reconstrução otimiza a superfície cinza-branca de acordo com o gradiente local de intensidade.

Em seguida, essa superfície é expandida até a interface cinza-LCR para criar o modelo de malha de pilha. O processo de reconstrução produz dois modelos de malha 3D compostos por cerca de 150.000 pontos por hemisfério. O modelo branco representa a interface cinza-branca, e o modelo de pilha representa a interface cinza-LCR.

Todas as superfícies e volumes estão em seu espaço nativo, permitindo medições sem deformação. Agora, verifique a precisão dessas superfícies reconstruídas sobrepondo as duas superfícies. O exemplo mostra o alinhamento para o sujeito distribuído com o pacote FreeSurfer.

Certifique-se de que a superfície branca siga com precisão a interface cinza-branca e de que os vasos e a membrana não sejam incluídos na superfície do montículo para corrigir manualmente o resultado do processo de reconstrução. Consulte os tutoriais no wiki do FreeSurfer. Quando estiver satisfeito com as superfícies, calcule o índice de girocortical local ou LGI.

Esse comando geralmente é executado por cerca de três horas para os dois hemisférios de um participante do estudo. Dependendo da potência de sua estação de trabalho, o processo de LGI começa com a criação de uma superfície externa utilizando a operação morfológica de fechamento. Em seguida, cerca de 800 regiões circulares sobrepostas de interesse são criadas na superfície externa.

Para cada uma dessas regiões, uma região de interesse correspondente é definida na superfície do córtex. Toda a computação resulta na criação de um mapa individual contendo um valor de ILG para cada ponto da superfície cortical. Isso resulta em cerca de 150.000 valores por hemisfério ao final do cálculo do ILG.

Os dois hemisférios de cada sujeito podem ser verificados no FreeSurfer quanto à correção. Os valores de LGI geralmente estão compreendidos entre um e cinco. O limiar mínimo pode ser definido como um para uma verificação rápida.

O objetivo de uma comparação estatística entre grupos é quantificar o efeito de um grupo em cada vértice ao longo da fase da superfície cortical, controlando ao mesmo tempo o efeito de gênero e idade. Comece criando um modelo específico do estudo, fornecendo todos os seus sujeitos como entrada. Este comando cria um sujeito denominado average.

Em seguida, para utilizar os comandos clássicos a fim de comparar os resultados do LGI entre grupos, crie um arquivo de texto contendo a descrição dos sujeitos envolvidos em seu estudo. Isso também é conhecido como arquivo descritor de grupo do FreeSurfer. Em seguida, reamostragem os dados do LGI nesse espaço do sujeito médio para cada hemisfério.

Suavize os dados na superfície cortical para reduzir a relação sinal-ruído. Agora calcule a comparação entre grupos ao nível de cada vértice. Isso requer a criação de um arquivo de texto de contraste.

Por exemplo, no caso do texto FSG D, o arquivo de texto de contraste deve conter os valores um menos um zero para calcular a diferença entre controles e pacientes, controlando para idade e gênero. Por fim, execute a comparação. Em seguida, visualize os resultados no sujeito médio utilizando o TK surfer, carregando o arquivo de dados recém-gerado.

A análise por vértice cria um mapa estatístico que mostra valores de P codificados por cores sobrepostos em cada ponto. Este exemplo mostra uma redução significativa da ativação, principalmente nas regiões mediais do cérebro. Usando a opção configurar sobreposição, você pode modificar ainda mais o limiar de P, bem como corrigir comparações múltiplas utilizando a taxa de descoberta falsa.

O Q deck é uma interface gráfica do usuário implementada no FreeSurfer conforme descrito anteriormente com a linha de comando. Você também precisará de um modelo específico do estudo para utilizar o Q deck com o índice de localização. Primeiro, pré-suavize; os dados LGI do QE exigem a construção de uma tabela de dados.

Isso inclui a descrição dos diferentes grupos e outras variáveis de confusão, como a idade. Se o LGI não estiver disponível na lista de variáveis dependentes no Q deck, adicione a seguinte linha ao arquivo RC do Q deck localizado no seu diretório pessoal. Usando o Q deck, você obterá exatamente os mesmos resultados que com a linha de comando, e ainda poderá corrigir comparações múltiplas utilizando simulações de Monte Carlo.

Embora o índice de giroificação local tenha sido desenvolvido para uma análise em nível de vértice, calcular a média dos dados em um nível mais amplo pode ser instrutivo. Para análises exploratórias, os valores médios do ILG podem ser extraídos para as 34 regiões do giro no esquema de parcelamento cortical integrado ao FreeSurfer. Essas medidas podem então ser comparadas entre os diferentes grupos utilizando software clássico de estatística.

Assim, a análise por parcelas pode ser uma maneira atrativa de limitar o número de comparações estatísticas. No entanto, o ILG em cada ponto já quantifica a estratificação nas regiões circundantes de interesse. Como resultado, o ILG médio nas regiões de interesse fornecidas também pode refletir, em certa medida, a estratificação nas regiões vizinhas de interesse.

Para soluções de problemas que possam ser encontrados durante o processamento com o FreeSurfer ou LGI, consulte os arquivos da lista de discussão do FreeSurfer. Juntamente com este procedimento, outros métodos, como espessura cortical ou tractografia por tensor de difusão, podem ser combinados. Isso permitirá observar como alterações precoces na corticalização se associam ao desenvolvimento cortical posterior ou ao desenvolvimento dos tratos de substância branca.

Assistindo a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como criar uma representação tridimensional da superfície cortical, como gerar mapas individuais de sulcos e giros, e como compará-los entre grupos para detectar deteriorações estatisticamente significativas no dobramento cortical.