Summary
Измерение gyrification (корковой складывающиеся) в любом возрасте представляет собой окно в раннем развитии мозга. Таким образом, мы ранее разработали алгоритм для измерения местных gyrification в тысячах точек по полушарии
Protocol
1. Реконструкция 3D корковой поверхности
Это первая часть протокола используется стандартный трубопровод FreeSurfer, как описано в вики ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki ). Обратите внимание, что команды подробно описаны здесь описать один из способов достижения корковых реконструкции поверхности, но эквивалентные команды также могут быть использованы.
- Импорт сырой MRI DICOM в FreeSurfer и проверки качества изображения (например, что ориентация правильная, контрастность достаточно и изображения не переехал). Этот процесс использует следующие команды (замените текст между <...> (включительно) со значениями соответствующих конкретном случае, и "#" обозначает комментарии):
mksubjdirs# Создаем папку архитектура используется FreeSurfer
компакт-диск/ МРТ # перейти к МРТ папку тему
mri_convert см001.mgz # визуализировать преобразованы объеме - Создание трехмерных моделей коры сетки 8,9. Для того чтобы справиться с проблемой похоронен борозд, FreeSurfer сначала создает унитарное белый объем вещества, которое используется в качестве отправной точки для начальной серо-белой поверхности. Эта поверхность затем оптимизированы в соответствии с местными градиент напряженности и дальнейшее развитие в серо-CSF интерфейс.
Recon-все-ов# Запуск корковых реконструкции поверхности
В конце процесса восстановления, вы получите две сетки моделей включает около 150 000 точек для каждого полушария: белый (серо-белый интерфейс) и мягкой мозговой оболочки (серо-CSF интерфейс) поверхности. Важно отметить, что все поверхности и объемы остаются в родном пространстве, что позволяет измерений, такие как объем, площадь поверхности, толщины или gyrification индекс измеряется без деформации. - Проверить точность этих реконструированных поверхностей:
tkmeditT1.mgz? H.pial # белую поверхность накладывается в зеленых и пиальных поверхности в красном
где А обозначает полушарии: lh.pial для левого полушария и rh.pial для правого полушария. Рисунок 2 (в 2 вариантах: анимационный рисунок, которые будут включены в фильм и статический для веб-сайта) показывает пример правильной белой и мягкой мозговой оболочки поверхностей реконструкций для "Берта" с учетом распространяется вместе с пакетом FreeSurfer. Если вам нужно вручную исправить результат процесса восстановления, вы найдете учебник по FreeSurfer вики ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/WhiteMatterEdits ,
2. Вычислить местных Индекс Gyrification
Когда вы будете удовлетворены своей поверхности, вычислить локальный индекс Gyrification (л GI) с помощью команды:
Recon-все-ЛГИ-х годов
Эта команда обычно длится около 3 часов на два полушария одного участника исследования, в зависимости от мощности вашего компьютера. Различных этапах процесса л ГИ сделал обзор на рис. 1. Вычислительные начинается с создания внешней поверхности с помощью морфологической операции закрытия. Это внешняя поверхность, обозначаемая? H.pial_outer_smoothed, далее иллюстрируется на рис. 3. Затем, около 800 перекрывающихся круговых областях, представляющих интерес, созданный на внешней поверхности. Для каждого из этих регионов, соответствующие интересующей нас области определяется напиальных поверхности. Весь расчет заканчивается создание индивидуальная карта, содержащие один л GI значение для каждой точки поверхности коры (т.е. ~ 150 000 значений в полушарии).
3. Проверьте результат расчета л GI для каждого полушария
tksurfer
Л GI значения накладываются на поверхности коры. Как правильный л GI значения, как правило, составляет от 1 до 5, установив минимальный порог в 1 (с опцией fthresh) позволяет быстро проверить: у вас не должно быть видно серое области коры. Пример правильного индивидуальный результат показан на рис. 4.
4. Статистическое сравнение групп
Цель заключается в количественном влиянии группы на каждую вершину по поверхности коры, контролируя при этом на эффект от пола ивозраста. Вы должны будете следовать тем же способом, если вы хотите сравнить толщину корки в каждой вершине, но
- Первый вариант сравнить л GI результатов между группами использовать команды, приведенные ниже; Более подробную информацию можно получить на https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/GroupAnalysis .
- Сначала вам нужно создать шаблон изучения конкретных давая все ваши предметы на входе:
make_average_subject - субъектов...
Выше команда будет создавать тему под названием "средний". Кроме того, вы можете использовать тему «fsaveярости "распространяется как часть FreeSurfer распределения. - Затем создайте текстовый файл, содержащий описание субъектов, вовлеченных в исследование ("FreeSurfer Группа дескрипторов файлов"). Ваш FSGD.txt должна выглядеть следующим образом:
GroupDescriptorFile 1
Группа Control_Male
Группа Control_Female
Группа Patient_Male
Группа Patient_Female
Переменные Возраст
ВходPatient_Male 20
ВходControl_Female 23
<...> - Resample л И. данных в пространстве среднего тему, используя следующую команду для каждого полушария:
mris_preproc - fsgd FSGD.txt - целевые среднем -? геми ч - МЭС pial_lgi? - из h.lgi.mgh - Гладкая данные о поверхности коры, чтобы снизить уровень сигнала к шуму:
mri_surf2surf? - геми ч - сек в среднем? - sval h.lgi.mgh - FWHM 10 -? tval h.10.lgi.mgh - Вычислить группы сравнения на уровне каждой вершины. Для этого вам нужно будет создать файл контрастность текста (например, в случае FSGD.txt описано выше, "contrast.txt" будет содержать значения "1 1 -1 -1 0", чтобы вычислить разницу между элементами управления и пациентов, контролируя при этом на возраст и пол). Наконец запустить сравнения:
mri_glmfit - у h.10.lgi.mgh -? fsgd FSGD.txt ночлежный -? glmdir h.lgi.glmdir - серфинга средняя ч - ° С contrast.txt - Визуализация результатов на среднем предмет использования tksurfer:
tksurfer среднем? ч завышенным
После этого загрузите в качестве оверлея sig.mgh файл, расположенный в папке? H.lgi.glmdir / contrast.txt / sig.mgh. С помощью опции "настройки наложения" можно дополнительно модифицировать р порог, а также поправки на множественные сравнения использованием ложных открытий 10.
- Сначала вам нужно создать шаблон изучения конкретных давая все ваши предметы на входе:
- Альтернативным вариантом для группы комСравнение является использование Qdec, графический пользовательский интерфейс реализован в FreeSurfer. Использование Qdec с местными Индекс Gyrification подразумевает для предварительного сглаживания л И. данных:
Recon-все-QCache-мера pial_lgi среднего-Е годы
С Qdec, FreeSurfer Группа дескрипторов файлов заменяется немного другую версию, таблицы данных (qdec.table.dat), который включает описание различных групп и других вмешивающихся факторов, таких как возраст. Подробное описание использования Qdec обеспечивается при http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FsTutorial/QdecGroupAnalysis .
Следует отметить, что если л И. недоступна в список зависимых переменных в Qdec, необходимо добавить следующую строку в Qdecrc файл, расположенный в Вашем домашнем каталоге.:
MEASURE1 = pial_lgi </ OL>
5. Анализ
Кроме того, статистический анализ в конечном счете может быть вычислен на уровне корковых parcellation интегрированы в FreeSurfer 11. Для этой цели, средняя л GI значения могут быть извлечены для круговорота 34 регионах, представляющих интерес для каждого полушария, и эти измерения могут быть сопоставлены между различными группами. Этот участок стрелке анализа (в отличие от вершины стрелки анализа, описанного выше) может быть привлекательным, поскольку он ограничивает объем статистических сравнений. Тем не менее, л И. в каждой точке количественно gyrification в окружающем круговые области, так что средняя И. л в круговорот региона представляет интерес и в определенной степени отражает gyrification в соседних регионах, представляющих интерес.
Наконец, хотя наиболее важные вопросы были описаны в этот протокол, решение других проблем, которые могут возникнуть во время FreeSurfer или л И. обработки можно найти в архивах списка рассылки FreeSurfer ( http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/FreeSurferSupport ).
6. Представитель Результаты
Как описано в разделе 1с протокола, вы должны тщательно проверить точность реконструкции корковых поверхностей перед л GI вычисления. Хотя прокрутка между лобной и затылочной доли, обратите особое внимание, что сосуды и мембраны, не включаются в пиальных поверхности. Проверьте также, что белая поверхность точно следует серо-белый интерфейс. Пример правильного реконструкции приводится на рис 2 (см. рисунок анимированный GIF за весь объем).
В конце л GI вычисления, вы также должны проверить результат для обоих полушарий каждому предмету.Там не должно быть какой-либо области коры с результатом Г. И. л меньше, чем 1. Раздела 3 протокола и рисунке 4 показано, как проверить правильно, если выход л GI вычисления правильны.
Рисунок 1. Обзор л GI вычисления. Во-первых, трехмерные модели коры сетки восстанавливаются из сырых изображений с помощью стандартного трубопровода FreeSurfer. Эти реконструкции алгоритмы используют двойные белые объем материи как отправная точка, чтобы преодолеть проблемы похоронен борозд. Корковых моделей сетки обычно включает в себя около 150 тысяч вершин и классически используется для расчета толщины коры в каждой точке. Аналогичным образом, местные Индекс Gyrification (л GI) будет вычисляться в каждой вершине. Для этой цели внешней поверхности будет создана. Затем соответствующие круговых областях, представляющих интерес, определили на внешнейг коры поверхности с помощью соответствующих алгоритмов. Примерно через 800 генерации перекрывающиеся области интереса, процесс приводит к созданию индивидуальных карт л GI. Эти карты могут быть легко интерпретированы: индекс 5 означает, что есть в 5 раз больше поверхности коры инвагинационный в борозды в округе, что количество видимых поверхности коры; Индекс 1 означает, что кора квартиру в окрестностях . Наконец, статистические сравнения групп вычисляются на уровне каждой вершине, как и в корковых сравнения толщины.
Рисунке 1b. Индивидуальные корковых карту л GI. Этот небольшой фильм показывает 360-градусов вращения отдельных корковых карте LGI, как показано на рис. 1. Поразительно, отметить, что зоны коры головного мозга с более высокими значениями л И. соответствуют первым раз и создаются в процессе в жизни внутриутробного: латеральной борозды, верхней височной борозды и вtraparietal борозды на боковой вид на мозг, и теменно-затылочной борозды на медиальной зрения мозга. Посмотреть фильм
Рисунок 2. Пример адекватной реконструкции поверхности коры (один корональных раздел). После окончания процесса восстановления, корковой поверхности должны быть тщательно проверены по всей мозговой объема. Внутренней поверхности коры (обозначается белой поверхности, зеленым цветом на изображении), должны четко следовать серо-белый интерфейс. Внешней поверхности коры (т.е. серо-CSF интерфейс, обозначаемый пиальных поверхности, здесь, в красный цвет) не должен включать любую часть судна или мембраны. Следует отметить, что пример, приведенный здесь использует "Берта" с учетом распространяется вместе с FreeSurfer пакета.
Рисунок 2B. Пример адекватной поверхности коры reconstruction (полная громкость). Этот анимированный рисунок показывает поверхности коры левого полушария "Берта" субъект на каждом корональных раздел, как видно, прокручивая из самых фронтальной к наиболее затылочной корональные разделы с FreeSurfer. Посмотреть фильм
Рисунок 3. Пример внешней поверхности рассчитывается как часть процесса л GI (один корональных раздел). Первым шагом в л GI вычисления создание внешней поверхности обертывающей полушарии. Эта поверхность (обозначается? H.pial_outer_smoothed в FreeSurfer) можно проверить с помощью tkmedit. Здесь, "Берта" с учетом распространяется с FreeSurfer используется в качестве примера.
Рис 3B. Пример внешней поверхности рассчитывается как часть процесса л Г.И. (полная громкость). Этот анимированный рисунокпоказывает, наружной поверхности левого полушария на каждом корональных раздел, как видно, прокручивая из самых фронтальной к наиболее затылочной корональные разделы с tkmedit в FreeSurfer. Посмотреть фильм
Рисунок 4. Пример правильного вывода л Г.И., если смотреть с FreeSurfer. Различные ориентации поверхности коры из "Берта" тему с л GI значения накладным. Цвет-код по умолчанию "тепло" Наложение как видно с tksurfer в FreeSurfer. Использование минимального порога 1, все вершины должны быть цветными и не корковой области должны APГруша в сером цвете. Следует отметить, что цвет наложения можно изменить с помощью опции "Настройка Overlay" в tksurfer, где минимальные и максимальные значения, а также гистограмма общее распределение л GI также может быть проверено.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Протокол выше описано, как для измерения местных Индекс Gyrification на основе мозговой Т1-взвешенной МРТ и проведения статистических сопоставлений группы. Наш метод был специально разработан для локализации раннего нарушения в корковых процесс расширения и, как таковая, представляют особый интерес во многих развития нервной системы и психические расстройства. Примеры группе сравнения в клинических образцах, можно найти в публикациях нашей группы 1,12 или другими лицами 13-16. Процесс полностью автоматизирован и требует только команды, которая будет выполнена, хотя два параметра могут быть изменены.
Первого параметра находится на уровне л GI вычисления: радиус круговой области интересов. Радиус по умолчанию установлен в 25 мм, которая была выбрана для того, чтобы включать более одного борозды в то время, сохраняя при этом необходимое разрешение. Наша проверка документ включает эксперимент влияния радиуса на тон корковых карты gyrification 1, показано, что большие радиусы, как правило, гладкие корковых карты с разбавлением локальных максимумов. Для клинических исследований, мы бы рекомендовали радиусе от 20 до 25 мм.
Второй регулируемый параметр количество сглаживания на уровне статистического анализа. В целях увеличения отношения сигнал-шум, данные сглаживаются на корковые сетки использованием итерационной ближайших соседей процедура усреднения. Корковая исследования толщины с аналогичными условиями, как наша (то есть данные, измеренные в родном пространстве, такое же распределение данных по поверхности коры, и то же sulcal основе регистрации технику с изучения конкретных шаблон) обычно используют всю ширину на полувысоте (FWHM ) от 10 мм (Для сравнения, толщина коры исследований в соавторстве с разработчиками FreeSurfer использовать ядро 6 мм 17, 13 мм и 22 мм 18-21 22,23). В приведенном выше протокола, мы предлагаем использовать FWHM из 10 мм, чтобы идти в ногу с большей частью коры литературы толщины. Однако, как корковых л GI карты уже относительно гладко, то результат сравнения будет едва меняться в зависимости от наличия или отсутствия сглаживания.
Хотя реализация методов измерения gyrification и толщины общие шаги, мы хотели бы подчеркнуть, что обе меры отражают различные свойства коры морфологии. Как уже подчеркивалось выше, gyrification в основном под влиянием ранних событий. Наоборот, толщина коры в значительной степени чувствительна к изменениям созревания в детстве, подростковом и юношеском возрасте 24. В упрощенном виде схема, измерение этих дополнительных свойств дает возможность для продвижения нашего понимания патогенеза нарушений развития нервной системы 25.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторы не имеют ничего раскрывать.
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).
