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 ткани головного мозга посредством воксельного 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 окружающего объема . Однако это требует много времени и может обеспечить измерения только на довольно больших площадях. Небольшие различия в объеме можно не заметить. Ценность VBM в том, что она позволяет всесторонне измерить различия не только в конкретных структурах, но и во всем мозге. VBM регистрирует каждый мозг по шаблону, который устраняет большинство существенных различий в анатомии мозга у людей. Затем изображения мозга сглаживаются так, что каждый воксел представляет собой среднее значение самого себя и своих соседей. Наконец, объем изображения сравнивается в мозге в каждом вокселе.

Однако ВБМ может быть чувствителен к различным артефактам, включая смещение структур мозга, неправильную классификацию типов тканей, различия в характере складок и толщине коры. [2] Все это может исказить статистический анализ и либо снизить чувствительность к истинным объемным эффектам, либо увеличить вероятность ложноположительных результатов. 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 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), метода всего мозга для характеристики различий между региональным объемом групп и концентрацией тканей по данным структурной магнитно-резонансной томографии (МРТ). [5]

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

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

Ключевое описание методологии воксельной морфометрии — «Воксельная морфометрия — методы» [8] — одна из наиболее цитируемых статей в журнале NeuroImage . [9] Обычным подходом к статистическому анализу является массово-одномерный (анализ каждого воксела отдельно), 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, выявляющих асимметрию мозга . [11] [12] Техническая процедура такого расследования может включать следующие этапы: [13]

  1. Создание шаблона изображения мозга для конкретного 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 скальпа на изображении.
  5. Пространственная нормализация к симметричным шаблонам
  6. Поправка на изменение объема (с применением определителя Якобиана )
  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 вокселы мозга, где интенсивности (объем или концентрация GM в зависимости от того, был ли применен шаг модуляции или нет) в групповых изображениях значительно ниже/выше, чем в других группа под следствием.

По сравнению с подходом области интересов

До появления VBM ручное определение области интереса было золотым стандартом измерения объема структур мозга. Однако по сравнению с подходом области интересов VBM имеет большое количество преимуществ, которые объясняют его широкую популярность в сообществе нейровизуализаторов. Действительно, это автоматизированный и относительно простой в использовании, эффективный по времени инструмент для исследования 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 точность, сравнимую с ручным измерением объема. Действительно, несколько исследований показали хорошее соответствие между двумя методами, что дает уверенность в биологической обоснованности подхода VBM. [14]

Смотрите также

В Wikibooks есть книга на тему: SPM/VBM.

Рекомендации

  1. ^ Эшбернер, Джон; Фристон, Карл Дж. (июнь 2000 г.). «Воксельная морфометрия — методы». НейроИмидж . 11 (6): 805–21. CiteSeerX  10.1.1.114.9512 . дои : 10.1006/нимг.2000.0582. PMID  10860804. S2CID  16777465.
  2. ^ Джон Эшбернер (октябрь 2001 г.). «Вычислительная анатомия с программным обеспечением СЗМ». Магнитно-резонансная томография . 27 (8): 1163–74. дои : 10.1016/j.mri.2009.01.006. ПМИД  19249168.
  3. ^ Натали Л. Воэтс; 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». НейроИмидж . 43 (4): 665–75. doi :10.1016/j.neuroimage.2008.08.013. PMID  18793730. S2CID  1341760.
  4. ^ Андерсон М. Винклер; Петр Кочунов; Джон Бланджеро; Лаура Алмаси; Карл Зиллес; Питер Т. Фокс; Равиндранат Дуггирала; Дэвид К. Глан (2010). «Толщина коры или объем серого вещества? Важность выбора фенотипа для визуализационных генетических исследований». НейроИмидж . 53 (3): 1135–46. doi : 10.1016/j.neuroimage.2009.12.028. ПМЦ 2891595 . ПМИД  20006715. 
  5. ^ Симона, Мария Стефания Де; Скарпацца, Кристина (14 июля 2016 г.). «Воксельная морфометрия: современные перспективы». Нейронаука и нейроэкономика : 1. doi : 10.2147/NAN.S66439 . Проверено 19 мая 2016 г.
  6. ^ Элеонора А. Магуайр , Дэвид Г. Гадиан, Ингрид С. Джонсруд , Катриона Д. Гуд, Джон Эшбернер, 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. Бибкод : 2000PNAS...97.4398M. дои : 10.1073/pnas.070039597 . ЧВК 18253 . ПМИД  10716738. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )Комментарий к оригинальной статье в том же номере:Новостной сюжет с интервью исследователя:
    • Би-би-си (14 марта 2000 г.). «Мозги таксистов «растут» на работе». Новости BBC . Проверено 6 марта 2007 г.
  7. ^ Катриона Д. Гуд, Ингрид С. Джонсруд, Джон Эшбернер, Ричард Н. А. Хенсон, Карл Дж. Фристон и Ричард С. Дж. Фраковяк (июль 2001 г.). «Морфометрическое исследование старения на основе вокселей в мозге 465 нормальных взрослых людей» (PDF) . НейроИмидж . 14 (1): 21–36. дои : 10.1006/нимг.2001.0786. PMID  11525331. S2CID  6392260.{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  8. ^ Джон Эшбернер и Карл Дж. Фристон (июнь 2000 г.). «Воксельная морфометрия — методы» (PDF) . НейроИмидж . 11 (6): 805–821. CiteSeerX 10.1.1.114.9512 . дои : 10.1006/нимг.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 больных 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. ^ К. Э. Уоткинс, Т. Паус, Дж. П. Лерч, А. Зижденбос, Д. Л. Коллинз, П. Нилин, Дж. Тейлор, Кейт Дж. Уорсли и Алан К. Эванс (сентябрь 2001 г.). «Структурные асимметрии в человеческом мозге: статистический анализ 142 МРТ на основе вокселей». Кора головного мозга . 11 (9): 868–877. дои : 10.1093/cercor/11.9.868 . ПМИД  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 Эшбернер, Ричард Н. А. Хенсон, Карл Дж. Фристон и Ричард С. Дж. Фраковяк (сентябрь 2001 г.). «Церебральная асимметрия и влияние пола и рук на структуру мозга: морфометрический анализ 465 нормальных изображений мозга взрослого человека на основе вокселей». НейроИмидж . 14 (3): 685–700. CiteSeerX 10.1.1.420.7705 . дои : 10.1006/нимг.2001.0857. PMID  11506541. S2CID  16235256. {{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Скарпацца С, Де Симоне М (июль 2016 г.). «Морфометрия на основе вокселей: современные перспективы». Нейронаука и нейроэкономика . 2016 (5): 19–35. дои : 10.2147/NAN.S66439 .

дальнейшее чтение