Protocol
1. Rekonstruere 3D kortikale overflader
Denne første del af protokollen bruger standard FreeSurfer rørledningen som beskrevet i Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Bemærk, at kommandoerne detaljerede her beskrive en måde at opnå det kortikale overfladen rekonstruktioner, men tilsvarende kommandoer kan også anvendes.
- Importer rå MRI DICOM ind FreeSurfer og kontrollere kvaliteten af billedet (fx at retningen er korrekt, kontrasten er tilstrækkelig, og billederne ikke flyttet). Denne proces bruger følgende kommandoer (erstat teksten mellem <...> (inkl.) med værdier, der passer til en bestemt instans, og "#" angiver kommentarer):
mksubjdirs# Oprette mappen arkitekturen bruges af FreeSurfer
cd/ MR # gå til MRI mappen dit motiv
mri_convert-cm001.mgz # visualisere det konverterede volumen - Opret tredimensionelle kortikale mesh modeller 8,9. For at klare problemet med begravede sulci, FreeSurfer first skaber en enhedsstat hvide substans volumen, der bruges som udgangspunkt for den indledende grå-hvid overflade. Denne overflade er så optimeret i henhold til den lokale gradient af intensitet og yderligere udvidet til den grå-CSF interface.
Recon-all-s# Lancere kortikale overfladen genopbygning
I slutningen af genopbygningsprocessen, vil du få to mesh modeller består af omkring 150.000 point for hver halvkugle: en hvid (grå-hvid-interface) og et pial (grå-CSF interface) overflade. Det er vigtigt at bemærke, at alle flader og volumen forbliver i den oprindelige plads, så måling, såsom volumen, areal, tykkelse eller gyrification indeks, der skal måles uden at blive deformeret. - Check for nøjagtigheden af disse rekonstrueret overflader:
tkmeditT1.mgz? H.pial # den hvide overflade er beklædt med grønt og pial overflade i rødt
hvor h betegner halvkugle:? lh.pial til den venstre hjernehalvdel og rh.pial til den højre hjernehalvdel. Den Figur 2 (i 2 versioner: en animeret GIF-billede, der skal indgå i filmen, og en statisk én for hjemmesiden) viser et eksempel på korrekt hvid og pial flader rekonstruktioner til "BERT" emne distribueres sammen med de FreeSurfer pakken. Hvis du er nødt til manuelt at korrigere resultatet af genopbygningsprocessen, vil du finde en tutorial på FreeSurfer Wiki ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,
2. Beregn den lokale Gyrification Index
Når du er tilfreds med dine flader, beregne den lokale Gyrification Index (l GI) ved hjælp af kommandoen:
Recon-all-LGI-s
Denne kommando normalt løber i ca 3 timer for de to halvdele af en undersøgelse deltager, afhængig af styrken i din arbejdsstation. De forskellige trin af L GI proces er overskues i Fig. 1. Den computing begynder med oprettelsen af en ydre overflade ved morfologiske lukke funktion. Denne ydre overflade, betegnet? H.pial_outer_smoothed, er yderligere illustreret i Fig. 3. Så er der omkring 800 overlappende cirkulære områder af interesse skabt på den ydre overflade. For hver enkelt af disse regioner, er et tilsvarende område af interesse defineret påden pial overfladen. Hele beregningen ender med oprettelsen af en enkelt kort, der indeholder et l GI værdi for hvert punkt i det kortikale overfladen (dvs. ~ 150.000 værdier pr halvkugle).
3. Kontroller resultatet af den l GI beregningen for hver halvkugle
tksurfer
Den l GI værdier er overlejret over den kortikale overfladen. Som korrekte l GI værdier er typisk på mellem 1 og 5, der fastsætter den minimumstærskel på 1 (med mulighed fthresh) giver et hurtigt check: Du bør ikke se nogen grå kortikale område. Et eksempel på korrekt individuelle resultat er vist i Fig. 4.
4. Statistisk gruppe sammenligninger
Formålet er at kvantificere effekten af gruppen på hvert hjørne i løbet af de kortikale overflade, samtidig med at kontrollere for effekten af køn ogalder. Du bliver nødt til at følge den samme proces, som hvis du ønsker at sammenligne kortikale tykkelse ved hvert hjørne, men at
- Den første mulighed for at sammenligne l GI resultater mellem grupper bruger de kommandoer, der er nævnt nedenfor, yderligere oplysninger kan fås ved henvendelse https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
- Først skal du oprette en specifik undersøgelse af skabelon at give alle dine fag i input:
make_average_subject - emner...
Kommandoen ovenfor, vil skabe et emne med navnet "gennemsnit". Alternativt kan du bruge emnet "fsaverage "distribueres som en del af FreeSurfer distribution. - Derefter lave en tekstfil som indeholder en beskrivelse af de emner, der er involveret i dit studium (den "FreeSurfer koncernen Descriptor File"). Din FSGD.txt skal se sådan ud:
GroupDescriptorFile 1
Gruppe Control_Male
Gruppe Control_Female
Gruppe Patient_Male
Gruppe Patient_Female
Variabler Alder
InputPatient_Male 20
InputControl_Female 23
<...> - Resample l GI data i løbet af den gennemsnitlige emne ved hjælp af følgende kommando for hver halvkugle:
mris_preproc - fsgd FSGD.txt - target gennemsnit -? Hemi h - foran pial_lgi -? ud h.lgi.mgh - Glat data på kortikale overfladen for at reducere signal til støj:
mri_surf2surf -? Hemi h - s gennemsnit -? sval h.lgi.mgh - FWHM 10 -? tval h.10.lgi.mgh - Beregn den gruppe sammenligning på niveauet for hvert hjørne. For at du bliver nødt til at skabe kontrast tekstfil (fx i tilfælde af FSGD.txt beskrevet ovenfor, vil den "contrast.txt" indeholder værdier "1 1 -1 -1 0" til at beregne forskellen mellem kontrol og patienter samtidig med at kontrollere for alder og køn). Endelig kører sammenligningen:
mri_glmfit - y h.10.lgi.mgh -? fsgd FSGD.txt Doss -? glmdir h.lgi.glmdir - surf gennemsnitlig h -? C contrast.txt - Visualiser resultaterne på din gennemsnitlige emne ved hjælp af tksurfer:
tksurfer gennemsnit? h oppustet
Så belastning som overlay på sig.mgh filen placeret i mappen? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. Brug indstillingen "configure overlay" kan du yderligere ændre p tærsklen samt korrekt for flere sammenligninger med falske opdagelse på 10.
- Først skal du oprette en specifik undersøgelse af skabelon at give alle dine fag i input:
- Den alternative mulighed for gruppe comsammenligning er at bruge Qdec, en grafisk brugergrænseflade implementeret i FreeSurfer. Brugen af Qdec med lokale Gyrification Index indebærer, at pre-udjævne l GI data:
Recon-all-qcache-measure pial_lgi-gennemsnittet-S
Med Qdec er FreeSurfer koncernen Descriptor File erstattet af en lidt anden version, Data Table (qdec.table.dat), der indeholder en beskrivelse af de forskellige grupper og andre forstyrrende variabler såsom alder. En detaljeret beskrivelse af udnyttelsen af Qdec gives på http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
Det skal bemærkes, at hvis l GI ikke findes på listen over afhængige variabler i Qdec skal du tilføje følgende linje til Qdecrc filen placeret i din hjemmemappe.:
MEASURE1 = pial_lgi </ Ol>
5. Analyse
Alternativt kunne de statistiske analyser i sidste ende blive beregnet på samme niveau som den kortikale parcellation integreret i FreeSurfer 11. Til dette formål, kan gennemsnittet l GI værdier blive udtrukket for de 34 gyral regioner af interesse for hver halvkugle, og disse målinger kan yderligere sammenlignes mellem de forskellige grupper. Denne parcel-wise analyse (i modsætning til den vertex-kloge ovenfor beskrevne analyse) kunne være attraktive, da det begrænser mængden af statistiske sammenligninger. Men l GI ved hvert punkt kvantificerer gyrification i det omgivende cirkulære område, således at den gennemsnitlige l GI i en gyral region af interesse afspejler også i nogen grad gyrification i naboregionerne af interesse.
Endelig, selv om de vigtigste spørgsmål er beskrevet i denne protokol, en løsning på de andre problemer, der kan opstå i løbet af FreeSurfer eller L GI behandling kan findes i arkiverne i FreeSurfer postliste ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).
6. Repræsentative resultater
Som beskrevet i afsnit 1c af protokollen, bør du altid omhyggeligt kontrollere rigtigheden af genopbygningen af det kortikale overflader før l GI beregning. , Mens du ruller mellem frontal og occipital lap, lægge særlig vægt på, at fartøjer, og membranen ikke er inkluderet i pial overfladen. Kontrollér også, at den hvide overflade præcist følger den grå-hvide interface. Et eksempel på korrekt genopbygning er givet i figur 2 (se den animerede gif tallet for hele volumen).
I slutningen af l GI beregninger, vil du også nødt til at tjekke resultatet for begge halvdele af hvert fag.Der bør ikke være nogen kortikale område med en l GI resultat mindre end 1. Den del 3 i protokollen og tallet 4 viser, hvordan du kontrollerer korrekt, hvis produktionen af L GI beregningen er korrekt.
Figur 1. Oversigt over l GI beregning. For det første tre-dimensionelle kortikale mesh modellerne er rekonstrueret ud fra de rå billeder ved hjælp af standard FreeSurfer pipeline. Disse genopbygning algoritmer bruge en binær hvide substans volumen som udgangspunkt til at overvinde spørgsmålet om begravede sulci. Den kortikale mesh modellerne typisk består af omkring 150.000 knuder og er klassisk bruges til at beregne kortikale tykkelse ved hvert punkt. Tilsvarende vil lokale Gyrification Index (l GI) beregnes ved hvert hjørne. Til det formål er en ydre overflade skabt. Så svarer cirkulære områder af interesse er identificeret på den ydre end kortikale overfladen ved hjælp af matching-algoritme. Efter ca 800 af generere overlappende områder af interesse, proces resulterer i skabelsen af de enkelte kort over L GI. Disse kort kan nemt tolkes: et indeks over 5 betyder, at der er 5 gang mere kortikale overflade invaginated i sulci i det omkringliggende område, at mængden af synlige kortikale overflade, et indeks over 1 betyder, at cortex er flad i det omkringliggende område . Endelig er de statistiske gruppe sammenligninger opgjort på niveau med hvert hjørne, på samme måde som kortikal tykkelse sammenligninger.
Figur 1B. Individuel kortikale kort over L GI. Denne lille film viser et 360-graders rotation af en individuel kortikale LGI kort som vist i Fig. 1. Det er slående at konstatere, at det kortikale regioner med højere l GI-værdier svarer til de første gange, der skal oprettes i løbet af i livmoderen livet: den Sylvian revne, den overlegne tidsmæssige sulcus og itraparietal sulcus på den laterale billede af hjernen, og den parieto-occipital sulcus på den mediale opfattelse af hjernen. Se film
Figur 2. Eksempel på en tilstrækkelig kortikale overflade genopbygning (en koronal afsnit). Efter afslutningen af genopbygningsprocessen, bør det kortikale overflader præcist verificeres på tværs af hele cerebral volumen. Den indvendige kortikale overflade (angivet hvide overflade, i grønt på billedet) bør nøje følge den grå-hvide interface. Den ydre kortikale overflade (dvs. grå-CSF interface, betegnes pial overflade, her i rødt) bør ikke indeholde nogen stykke fartøj eller membran. Det skal bemærkes, bruger eksempel præsenteres her "bert" emne distribueres sammen med de FreeSurfer pakken.
Figur 2B. Eksempel på en tilstrækkelig kortikale overflade reconstruIndsatsen (fuld volumen). Dette animerede gif-billede viser det kortikale overfladen af venstre hjernehalvdel af "BERT" emne på hver koronal sektion, som det ses ved at rulle fra de mest frontal til de mest occipital koronale sektioner med FreeSurfer. Se film
Figur 3. Eksempel på ydre overflade, beregnet som en del af L GI processen (en koronal afsnit). Det første skridt i L GI beregningen er at skabe en ydre måleplads, hvor halvkugle. Denne overflade (betegnet? H.pial_outer_smoothed i FreeSurfer) kan kontrolleres ved hjælp tkmedit. Her er "bert" emne distribueres med FreeSurfer brugt som et eksempel.
Figur 3B. Eksempel på ydre overflade, beregnet som en del af L GI processen (fuld lydstyrke). Dette animeret gif-billedeviser den ydre overflade af den venstre hjernehalvdel på hver koronal sektion, som det ses ved at rulle fra de mest frontal til de mest occipital koronale sektioner med tkmedit i FreeSurfer. Se film
Figur 4. Eksempel på korrekt l GI output som ses med FreeSurfer. Forskellige orienteringer af kortikale overflade "BERT" emne med l GI-værdier overlejret. Farven-koden er standard "varme" overlay, som ses ved tksurfer i FreeSurfer. Ved hjælp af en minimumstærskel på 1, skal alle knuder være farvet, og ingen kortikale område bør APpære i grå. Af note, kan farven overlay ændres ved hjælp af indstillingen "Konfigurer Overlay" i tksurfer, hvor minimum og maksimum værdier, samt histogram af den overordnede fordeling af L GI kan også kontrolleres.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material: a Unix or Mac workstation with a processor of 2GHz or faster and a minimum of 4GB of RAM, with FreeSurfer installed (http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki, preferably the latest version, but no older than version 4.0.3). In order to compute the local Gyrification Index, MATLAB is also required (http://www.mathworks.com/) along with the Image Processing Toolbox. | |||
| Data: A sample of good quality (high-resolution, high contrast) cerebral MRI T1-weighted dataset. Your group of subjects must be preferably matched for age and gender. Given the normal inter-individual variability in cerebral morphology, the number of subjects in each group should be sufficient to identify an existing group difference (the more - the better). A reasonable minimum sample size would be around 20 subjects per group (although you can probably go for less if the intensity of changes is large and if your groups are tightly matched for gender and age). | |||
| FreeSurfer | Martinos Center for Biomedical Imaging, MGH | Version newer than 4.0.3 | |
| Matlab | Mathworks | Image Processing Toolbox | |
References
- Schaer, M. A surface-based approach to quantify local cortical gyrification. IEEE. Trans. Med. Imaging. 27, 161-170 (2008).
- Mangin, J. F., Jouvent, E., Cachia, A. In-vivo measurement of cortical morphology: means and meanings. Curr. Opin. Neurol. 23, 359-367 (2010).
- Mangin, J. F. A framework to study the cortical folding patterns. Neuroimage. 23, Suppl 1. S129-S138 (2004).
- Luders, E. A curvature-based approach to estimate local gyrification on the cortical surface. Neuroimage. 29, 1224-1230 (2006).
- Zilles, K., Armstrong, E., Schleicher, A., Kretschmann, H. J. The human pattern of gyrification in the cerebral cortex. Anat. Embryol. (Berl). 179, 173-179 (1988).
- Rakic, P. Specification of cerebral cortical areas. Science. 241, 170-176 (1988).
- Toro, R. Brain size and folding of the human cerebral cortex. Cereb. Cortex. 18, 2352-2357 (2008).
- Fischl, B., Sereno, M. I., Dale, A. M. Cortical surface-based analysis. II: Inflation, flattening, and a surface-based coordinate system. Neuroimage. 9, 195-207 (1999).
- Dale, A. M., Fischl, B., Sereno, M. I. Cortical surface-based analysis. I. Segmentation and surface reconstruction. Neuroimage. 9, 179-194 (1999).
- Genovese, C. R., Lazar, N. A., Nichols, T. Thresholding of statistical maps in functional neuroimaging using the false discovery rate. Neuroimage. 15, 870-878 (2002).
- Desikan, R. S. An automated labeling system for subdividing the human cerebral cortex on MRI scans into gyral based regions of interest. Neuroimage. 31, 968-980 (2006).
- Schaer, M. Congenital heart disease affects local gyrification in 22q11.2 deletion syndrome. Dev. Med. Child. Neurol. 51, 746-753 (2009).
- Palaniyappan, L., Mallikarjun, P., Joseph, V., White, T. P., Liddle, P. F. Folding of the Prefrontal Cortex in Schizophrenia: Regional Differences in Gyrification. Biol. Psychiatry. , (2011).
- Zhang, Y. Decreased gyrification in major depressive disorder. Neuroreport. 20, 378-380 (2009).
- Juranek, J., Salman, M. S. Anomalous development of brain structure and function in spina bifida myelomeningocele. Dev. Disabil. Res. Rev. 16, 23-30 (2010).
- Zhang, Y. Reduced cortical folding in mental retardation. AJNR. Am. J. Neuroradiol. 31, 1063-1067 (2010).
- Kuperberg, G. R. Regionally localized thinning of the cerebral cortex in schizophrenia. Archives of general psychiatry. 60, 878-888 (2003).
- Milad, M. R. Thickness of ventromedial prefrontal cortex in humans is correlated with extinction memory. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 10706-10711 (2005).
- Rauch, S. L. A magnetic resonance imaging study of cortical thickness in animal phobia. Biol. Psychiatry. 55, 946-952 (2004).
- Fjell, A. M. Selective increase of cortical thickness in high-performing elderly--structural indices of optimal cognitive aging. Neuroimage. 29, 984-994 (2006).
- Walhovd, K. B. Regional cortical thickness matters in recall after months more than minutes. Neuroimage. 31, 1343-1351 (2006).
- Gold, B. T. Differing neuropsychological and neuroanatomical correlates of abnormal reading in early-stage semantic dementia and dementia of the Alzheimer type. Neuropsychologia. 43, 833-846 (2005).
- Salat, D. H. Thinning of the cerebral cortex in aging. Cereb. Cortex. 14, 721-730 (2004).
- Schaer, M., Eliez, S. Contribution of structural brain imaging to our understanding of cortical development process. European Psychiatry Reviews. 2, 13-16 (2009).
- Shaw, P. Neurodevelopmental trajectories of the human cerebral cortex. J. Neurosci. 28, 3586-3594 (2008).
