Как измерить Корковая Складные от изображения MR: Шаг за шагом Учебник для вычисления локального индекса Gyrification

Общая цель данной процедуры — количественно оценить складчатость или гирификацию коры головного мозга с исключительно высоким разрешением на основе МРТ головного мозга. Это достигается путем первоначального создания точных трехмерных представлений поверхностей коры с использованием программного обеспечения FreeSurfer. На втором этапе строится внешняя поверхность, плотно прилегающая к поверхности борозд, с использованием алгоритма морфологического закрытия.

Затем на внешней поверхности создаются сотни перекрывающихся круговых областей, которые сопоставляются с соответствующими участками корковой области. После этого в каждой точке вычисляется соотношение обеих соответствующих областей, в результате чего получаются индивидуальные карты локализации, которые впоследствии могут быть использованы для статистических сравтений между различными диагностическими группами. В конечном итоге измерение структуры коры у подросших детей, подростков или взрослых может выявить аномальное развитие коры, имевшее место в первые месяцы жизни.

Основным преимуществом данного метода по сравнению с существующими техниками, такими как анализ геометрии на основе кривизны или морфологии клеток, является то, что он обеспечивает легко интерпретируемое измерение процесса формирования, которое не ограничено стенками круга и обладает исключительным разрешением. Этот метод может помочь ответить на некоторые ключевые вопросы, касающиеся развития психических заболеваний или нарушений нейропсихического развития. Другими словами, мы можем понять, как события раннего нейроразвития, такие как формирование извилин коры, могут в дальнейшем повлиять на развитие патогенеза во взрослом возрасте.

Идея этого метода возникла у нас, когда мы осознали, что индекс энцефализации, десятилетиями использовавшийся в сравнительной нейроанатомии, может стать очень мощным показателем развития мозга, если удастся преодолеть проблемы, связанные с его реализацией. Метод будет продемонстрирован Мари, старшим научным сотрудником нашей группы, а также Мари Ра, старшим научным сотрудником лаборатории Жана Филиппа Трана. В первой части протокола используется стандартный конвейер обработки FreeSurfer.

Команды, подробно описанные здесь, представляют собой один из способов реконструкции поверхности коры головного мозга, однако для импорта исходных МРТ-данных в формате DICOM в FreeSurfer могут быть использованы и эквивалентные команды. Начните с создания структуры папок. Затем перейдите в папку МРТ вашего испытуемого и конвертируйте исходные МРТ-данные в формат FreeSurfer.

Затем визуализируйте преобразованный объем. Проверьте качество изображения, убедившись, что ориентация верна, контрастность достаточна и изображение не смещено. Далее, используя FreeSurfer, создайте трехмерные сеточные модели коры головного мозга.

Этот процесс продолжается в течение нескольких часов. Чтобы решить проблему Барретта, Cellie free surfer сначала создает единый объем белого вещества, который в дальнейшем используется в качестве отправной точки для построения поверхности границы раздела серого и белого вещества. Сначала в процессе реконструкции оптимизируется поверхность раздела серого и белого вещества в соответствии с локальным градиентом интенсивности.

Затем эта поверхность дополнительно расширяется до интерфейса серого вещества и спинномозговой жидкости (CSF) для создания сетчатой модели всей толщи. В процессе реконструкции создаются две 3D-сетчатые модели, каждая из которых состоит примерно из 150 000 точек на полушарие. Белая модель представляет собой интерфейс серого и белого вещества, а модель всей толщи — интерфейс серого вещества и спинномозговой жидкости.

Все поверхности и объемы находятся в своем исходном пространстве, что позволяет проводить измерения без деформации. Теперь проверьте точность этих реконструированных поверхностей, наложив одну поверхность на другую. В примере показано совмещение для субъекта, данные которого распространяются в составе пакета FreeSurfer.

Для ручной корректировки результатов процесса реконструкции убедитесь, что белая поверхность точно соответствует границе раздела серого и белого цветов, а сосуды и мембрана не включены в поверхность скопления. Обратитесь к руководствам на вики-странице FreeSurfer. После того как поверхности будут определены верно, вычислите локальный индекс гирификации или LGI.

Эта команда обычно выполняется около трех часов для двух полушарий одного участника исследования. В зависимости от мощности вашей рабочей станции процесс LGI начинается с создания внешней поверхности с использованием операции морфологического закрытия. Затем на внешней поверхности создается около 800 перекрывающихся круговых областей интереса.

Для каждой из этих областей на поверхности свода определяется соответствующая область интереса. В результате всех вычислений создается индивидуальная карта, содержащая одно значение LGI для каждой точки поверхности коры. В итоге вычисления LGI дают около 150 000 значений для каждого полушария.

Оба полушария каждого субъекта могут быть проверены в FreeSurfer на предмет корректности. Значения LGI обычно находятся в диапазоне от одного до пяти. Для экспресс-проверки минимальный порог может быть установлен на уровне одного.

Цель статистического группового сравнения заключается в количественной оценке эффекта группы в каждом узле по всей поверхности коры головного мозга при контроле влияния пола и возраста. Начните с создания специфического для исследования шаблона, указав всех испытуемых и входные данные. Эта команда создает субъекта с именем average.

Затем, чтобы использовать классические команды для сравнения результатов LGI между группами, создайте текстовый файл с описанием субъектов, участвовавших в вашем исследовании. Этот файл также называют дескриптором групп FreeSurfer. После этого проведите повторную выборку данных LGI в пространстве среднего субъекта для каждого полушария.

Сгладьте данные на поверхности коры для снижения уровня шума. Теперь проведите групповое сравнение на уровне каждого вертекса. Для этого необходимо создать текстовый файл контраста.

Например, в случае текста FSG D файл контраста должен содержать значения один минус один ноль для вычисления разницы между контрольной группой и пациентами с учетом возраста и пола. Наконец, запустите сравнение. Затем визуализируйте результаты на среднем субъекте в TK surfer, загрузив недавно созданный файл данных.

Поверховый анализ (Vertex-wise analysis) создает статистическую карту с цветовой индикацией P-значений, наложенных на каждую точку. В данном примере показано значительное снижение активации, преимущественно в медиальных отделах мозга. С помощью опции «Настроить наложение» (configure overlay) можно дополнительно изменить порог P, а также провести коррекцию для множественных сравнений с использованием метода контроля ложного обнаружения (false discovery rate).

Qdeck представляет собой графический интерфейс пользователя, реализованный в FreeSurfer, как было описано ранее для работы с командной строкой. Для использования Qdeck с индексом локализации серого вещества (LGI) вам также потребуется шаблон, специфичный для конкретного исследования. Сначала выполните сглаживание данных LGI; для работы QE требуется создание таблицы данных.

Это включает описание различных групп и других вмешивающихся переменных, таких как возраст. Если LGI отсутствует в списке зависимых переменных в Q deck, добавьте следующую строку в файл конфигурации RC Q deck, расположенный в вашем домашнем каталоге. Используя Q deck, вы получите точно такие же результаты, как и при использовании командной строки, и сможете дополнительно провести коррекцию на множественные сравнения с помощью моделирования методом Монте-Карло.

Несмотря на то, что индекс локальной гирификации был разработан для анализа на уровне отдельных вершин, усреднение данных на более грубом уровне может быть информативным. Для эксплораторного анализа можно извлечь средние значения LGI для 34 областей извилин согласно схеме парцелляции коры, интегрированной в FreeSurfer. Затем эти показатели можно сравнить между различными группами, используя стандартное статистическое программное обеспечение.

Таким образом, анализ по участкам может быть привлекательным способом ограничения количества статистических сравнений. Однако LGI в каждой точке уже количественно определяет стратификацию в окружающих областях интереса. В результате средний LGI в заданных областях интереса может в определенной степени отражать стратификацию в соседних областях интереса.

Для решения проблем, которые могут возникнуть в процессе обработки в программах free surfer или LGI, обратитесь к архивам списка рассылки free surfer. Данную процедуру можно сочетать с другими методами, такими как измерение толщины коры или T-трактография. Это позволит проследить, как ранние изменения в процессе миелинизации будут коррелировать с дальнейшим развитием коры головного мозга или развитием проводящих путей белого вещества.

После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как создавать трехмерное представление поверхности коры головного мозга, как создавать индивидуальные карты гликации и как сравнивать их между группами для выявления статистически значимых ухудшений складчатости коры.