stringtranslate.com

Морфометрия на основе вокселей

Пример анализа VBM у пациентов, страдающих кластерными головными болями .

Морфометрия на основе вокселей — это вычислительный подход к нейроанатомии , который измеряет различия в локальных концентрациях мозговой ткани посредством повоксельного сравнения нескольких изображений мозга. [1]

В традиционной морфометрии объем всего мозга или его частей измеряется путем рисования областей интереса (ROI) на изображениях, полученных при сканировании мозга , и расчета заключенного объема . Однако это занимает много времени и может обеспечить измерение только довольно больших областей. Небольшие различия в объеме могут быть упущены из виду. Ценность VBM заключается в том, что она позволяет проводить комплексное измерение различий не только в определенных структурах, но и во всем мозге. VBM регистрирует каждый мозг в шаблоне, что позволяет избавиться от большинства больших различий в анатомии мозга у людей. Затем изображения мозга сглаживаются таким образом, что каждый воксель представляет собой среднее значение себя и своих соседей. Наконец, объем изображения сравнивается между мозгами в каждом вокселе.

Однако VBM может быть чувствителен к различным артефактам, которые включают в себя несоответствие структур мозга, неправильную классификацию типов тканей, различия в складчатости и толщине коры. [2] Все это может запутать статистический анализ и либо снизить чувствительность к истинным объемным эффектам, либо увеличить вероятность ложных срабатываний. Для коры головного мозга было показано, что различия в объеме, выявленные с помощью VBM, могут отражать в основном различия в площади поверхности коры, а не различия в толщине коры. [3] [4]

История

За последние два десятилетия сотни исследований пролили свет на нейроанатомические структурные корреляты неврологических и психиатрических расстройств. Многие из этих исследований были выполнены с использованием воксельной морфометрии (VBM), техники, охватывающей весь мозг, для характеристики различий между региональными объемами и концентрациями тканей в группах с помощью структурных магнитно-резонансных томографий (МРТ). [5]

Одним из первых исследований VBM, которое привлекло внимание основных СМИ, было исследование структуры мозга гиппокампа у водителей лондонских такси . [6] Анализ VBM показал, что задняя часть заднего гиппокампа в среднем больше у водителей такси по сравнению с контрольной группой, тогда как передний гиппокамп меньше. Лондонским таксистам нужны хорошие навыки пространственной навигации, и ученые обычно связывают гиппокамп с этим конкретным навыком.

Другой известной работой VBM было исследование влияния возраста на серое и белое вещество и цереброспинальную жидкость 465 здоровых взрослых людей. [7] Анализ VBM показал, что глобальное серое вещество линейно уменьшалось с возрастом, особенно у мужчин, тогда как глобальное белое вещество не уменьшалось с возрастом.

Ключевое описание методологии воксельной морфометрии — Voxel-Based Morphometry—The Methods [8] — одна из наиболее цитируемых статей в журнале NeuroImage . [9] Обычный подход к статистическому анализу — массовый одномерный (анализ каждого воксела по отдельности), но распознавание образов также может использоваться, например, для классификации пациентов от здоровых. [10]

Для асимметрии мозга

Обычно VBM выполняется для изучения различий между субъектами, но его также можно использовать для изучения нейроанатомических различий между полушариями, выявляя асимметрию мозга . [11] [12] Техническая процедура для такого исследования может включать следующие шаги: [13]

  1. Создание шаблона изображения мозга, специфичного для исследования, со сбалансированным набором левшей и правшей , мужчин и женщин.
  2. Построение шаблонов белого и серого вещества на основе сегментации .
  3. Построение симметричных шаблонов серого и белого вещества путем усреднения правого и левого полушарий головного мозга .
  4. Сегментация и извлечение изображения мозга, например, удаление ткани кожи головы на изображении.
  5. Пространственная нормализация по симметричным шаблонам
  6. Поправка на изменение объема (применение определителя Якоби )
  7. Пространственное сглаживание (интенсивность в каждом вокселе представляет собой локальное средневзвешенное значение, обычно выражаемое как концентрация GM, WM, CSF).
  8. Фактический статистический анализ по общей линейной модели , т.е. статистическое параметрическое отображение .

Результатом этих шагов является статистическая параметрическая карта, выделяющая все воксели мозга, где интенсивности (объем или концентрация GM в зависимости от того, применялся ли шаг модуляции или нет) в групповых изображениях значительно ниже/выше, чем в другой исследуемой группе.

По сравнению с подходом, основанным на регионе интереса

До появления VBM ручное разграничение области интереса было золотым стандартом для измерения объема структур мозга. Однако, по сравнению с подходом области интереса, VBM представляет большое количество преимуществ, которые объясняют его широкую популярность в сообществе нейровизуализации. Действительно, это автоматизированный и относительно простой в использовании, эффективный по времени инструмент для всего мозга, который может обнаруживать очаговые микроструктурные различия в анатомии мозга in vivo между группами людей, не требуя какого-либо априорного решения относительно того, какую структуру оценивать. Более того, VBM демонстрирует сопоставимую точность с ручной волюметрией. Действительно, несколько исследований показали хорошее соответствие между двумя методами, что обеспечивает уверенность в биологической обоснованности подхода VBM. [14]

Смотрите также

В Wikibooks есть книга по теме: SPM/VBM

Ссылки

  1. ^ Эшбёрнер, Джон; Фристон, Карл Дж. (июнь 2000 г.). «Морфометрия на основе вокселей — методы». NeuroImage . 11 (6): 805–21. CiteSeerX  10.1.1.114.9512 . doi :10.1006/nimg.2000.0582. PMID  10860804. S2CID  16777465.
  2. ^ Джон Эшбёрнер (октябрь 2001 г.). «Вычислительная анатомия с программным обеспечением SPM». Магнитно-резонансная томография . 27 (8): 1163–74. doi :10.1016/j.mri.2009.01.006. PMID  19249168.
  3. ^ Натали Л. Воетс; Морган Г. Хаф; Гвенаэль Дуо; Пол М. Мэтьюз; Энтони Джеймс; Луиза Уинмилл; Паула Вебстер; Стивен Смит (2008). «Доказательства аномалий развития коры головного мозга при подростковой шизофрении». NeuroImage . 43 (4): 665–75. doi :10.1016/j.neuroimage.2008.08.013. PMID  18793730. S2CID  1341760.
  4. ^ Андерсон М. Винклер; Питер Кочунов; Джон Бланджеро; Лора Алмаси; Карл Зиллес; Питер Т. Фокс; Равиндранат Дуггирала; Дэвид К. Глан (2010). «Толщина коры или объем серого вещества? Важность выбора фенотипа для исследований генетики визуализации». NeuroImage . 53 (3): 1135–46. doi :10.1016/j.neuroimage.2009.12.028. PMC 2891595 . PMID  20006715. 
  5. ^ Симоне, Мария Стефания Де; Скарпацца, Кристина (14 июля 2016 г.). «Voxel-based morphometry: current perspectives». Neuroscience and Neuroeconomics : 1. doi : 10.2147/NAN.S66439 . Получено 19 мая 2016 г.
  6. ^ Элеанор А. Магуайр , Дэвид Г. Гадиан, Ингрид С. Джонсруд , Катриона Д. Гуд, Джон Эшбёрнер, Ричард С. Дж. Фраковяк и Кристофер Д. Фрит (2000). «Структурные изменения в гиппокампе водителей такси, связанные с навигацией». Труды Национальной академии наук . 97 (8): 4398–4403. Bibcode : 2000PNAS...97.4398M. doi : 10.1073 /pnas.070039597 . PMC 18253. PMID  10716738. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Комментарий к оригинальной статье в том же номере:Новостной сюжет с интервью исследователя:
    • BBC (2000-03-14). «Мозги водителей такси «растут» на работе». BBC News . Получено 2007-03-06 .
  7. ^ Катриона Д. Гуд, Ингрид С. Джонсруде, Джон Эшбёрнер, Ричард NA Хенсон, Карл Дж. Фристон и Ричард С. Дж. Фраковяк (июль 2001 г.). «Морфометрическое исследование старения на основе вокселей в 465 нормальных мозгах взрослых людей» (PDF) . NeuroImage . 14 (1): 21–36. doi :10.1006/nimg.2001.0786. PMID  11525331. S2CID  6392260.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  8. ^ Джон Эшбёрнер и Карл Дж. Фристон (июнь 2000 г.). «Voxel-Based Morphometry—The Methods» (PDF) . NeuroImage . 11 (6): 805–821. CiteSeerX 10.1.1.114.9512 . doi :10.1006/nimg.2000.0582. PMID  10860804. S2CID  16777465. 
  9. ^ Количество цитирований видно из поиска в Google Scholar (2007-12-07) [1].
  10. ^ Ясухиро Кавасаки, Мичио Судзуки, Ферат Хериф, Цутому Такахаши, Ши-Ю Чжоу, Казуэ Накамура, Мие Мацуи, Томики Сумиёси, Хикару Сето и Масаёши Курачи (январь 2007 г.). «Многомерная воксельная морфометрия успешно отличает пациентов с шизофренией от здоровых людей». НейроИмидж . 34 (1): 235–242. doi : 10.1016/j.neuroimage.2006.08.018. PMID  17045492. S2CID  1951358.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  11. ^ KE Watkins, T. Paus, JP Lerch, A. Zijdenbos, DL Collins, P. Neelin, J. Taylor, Keith J. Worsley и Alan C. Evans (сентябрь 2001 г.). «Структурные асимметрии в человеческом мозге: статистический анализ 142 сканов МРТ на основе вокселей». Cerebral Cortex . 11 (9): 868–877. doi : 10.1093/cercor/11.9.868 . PMID  11532891.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  12. ^ Э. Людерс, К. Газер, Л. Янке и Г. Шлауг (июнь 2004 г.). «Воксельный подход к асимметрии серого вещества». НейроИмидж . 22 (2): 656–664. CiteSeerX 10.1.1.58.3228 . doi :10.1016/j.neuroimage.2004.01.032. PMID  15193594. S2CID  3061292. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  13. ^ Катриона Д. Гуд, Ингрид Джонсруд , Джон Эшбёрнер, Ричард NA Хенсон, Карл Дж. Фристон и Ричард С. Дж. Фраковяк (сентябрь 2001 г.). «Асимметрия головного мозга и влияние пола и леворукости на структуру мозга: воксельный морфометрический анализ 465 нормальных взрослых человеческих мозгов NeuroImage». NeuroImage . 14 (3): 685–700. CiteSeerX 10.1.1.420.7705 . doi :10.1006/nimg.2001.0857. PMID  11506541. S2CID  16235256. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Scarpazza C, De Simone M (июль 2016 г.). «Морфометрия на основе вокселей: текущие перспективы». Neuroscience and Neuroeconomics . 2016 (5): 19–35. doi : 10.2147/NAN.S66439 .

Дальнейшее чтение