Voxelová morfometrie - Voxel-based morphometry

Příklad analýzy VBM u pacientů, kteří mají zkušenosti klastrové bolesti hlavy.

Voxelová morfometrie je výpočetní přístup k neuroanatomii, který měří rozdíly v lokálních koncentracích mozkové tkáně prostřednictvím voxelového srovnání více obrazů mozku.[1]

V tradičním morfometrie, objem celého mozku nebo jeho části se měří nakreslením oblastí zájmu (ROI) na obrázky z mozkové skenování a výpočet objem přiložený. To je však časově náročné a může poskytnout opatření pouze pro poměrně velké plochy. Menší rozdíly v objemu mohou být přehlédnuty. Hodnota VBM spočívá v tom, že umožňuje komplexní měření rozdílů nejen v konkrétních strukturách, ale v celém mozku. VBM registry každý mozek na šablonu, která se zbaví většiny velkých rozdílů v anatomii mozku mezi lidmi. Poté jsou obrazy mozku vyhlazeny tak, aby každý voxel představuje průměr sebe sama a jejích sousedů. Nakonec se objem obrazu porovnává napříč mozky u každého voxelu.

VBM však může být citlivý na různé artefakty, mezi něž patří vychýlení mozkových struktur, nesprávná klasifikace typů tkání, rozdíly ve skladacích vzorcích a v kortikální tloušťce.[2] To vše může zmást statistickou analýzu a buď snížit citlivost na skutečné objemové účinky, nebo zvýšit pravděpodobnost falešně pozitivních výsledků. U mozkové kůry se ukázalo, že objemové rozdíly identifikované pomocí VBM mohou odrážet většinou rozdíly v povrchové oblasti mozkové kůry než v kortikální tloušťce.[3][4]

Dějiny

Během posledních dvou desetiletí stovky studií osvětlily neuroanatomické strukturní koreláty neurologických a psychiatrických poruch. Mnoho z těchto studií bylo provedeno pomocí voxelové morfometrie (VBM), což je technika celého mozku pro charakterizaci regionálních rozdílů mezi objemem a koncentrací tkání ve srovnání se skenováním strukturní magnetickou rezonancí (MRI).[5]

Jednou z prvních studií VBM a jednou, která se dostala do pozornosti v médiích hlavního proudu, byla studie o hipokampus mozková struktura Londýna řidiči taxíku.[6] Analýza VBM ukázala, že zadní část zadního hipokampu byla v průměru větší u taxikářů ve srovnání s kontrolními subjekty, zatímco přední hipokampus byl menší. Londýnští taxikáři potřebují dobré prostorové navigační dovednosti a vědci obvykle spojují hipokampus s touto konkrétní dovedností.

Dalším slavným dokumentem VBM byla studie o vlivu věku na šedou a bílou hmotu a mozkomíšní mok u 465 normálních dospělých.[7] Analýza VBM ukázala, že globální šedá hmota se s věkem lineárně snižovala, zejména u mužů, zatímco globální bílá hmota s věkem neklesala.

Klíčovým popisem metodologie morfometrie založené na voxelech je Voxelová morfometrie - metody[8]—Jeden z nejcitovanějších článků v časopise NeuroImage.[9]Obvyklý přístup pro statistickou analýzu je hromadně univariantní (analýza každého voxelu zvlášť), ale rozpoznávání vzorů lze také použít, např. pro klasifikaci pacientů od zdravých.[10]

Pro asymetrii mozku

Obvykle se VBM provádí pro zkoumání rozdílů mezi subjekty, ale lze jej také použít k vyšetření neuroanatomických rozdílů mezi detekováním hemisfér mozková asymetrie.[11][12]Technický postup pro takové vyšetřování může použít následující kroky:[13]

  1. Konstrukce šablony obrazu mozku specifické pro studii s vyváženou sadou levé a pravé podal a muži a ženy.
  2. Konstrukce bílý a šedá hmota šablony z segmentace.
  3. Konstrukce symetrických šablon šedé a bílé hmoty zprůměrováním vpravo a vlevo mozkové hemisféry.
  4. Segmentace a extrakce obrazu mozku, např. Odstranění tkáně pokožky hlavy v obrazu.
  5. Prostorová normalizace na symetrické šablony
  6. Oprava pro změnu objemu (použití a Jacobian determinant )
  7. Prostorové vyhlazení (intenzita v každém voxelu je lokální vážený průměr obecně vyjádřený jako koncentrace GM, WM, CSF).
  8. Aktuální statistická analýza obecný lineární model, tj., statistické parametrické mapování.

Výsledkem těchto kroků je statistická parametrická mapa, která zvýrazní všechny voxely mozku, kde jsou intenzity (objem nebo koncentrace GM v závislosti na tom, zda byl použit krok modulace nebo ne), obrázky ve skupině jsou výrazně nižší / vyšší než v ostatních vyšetřovaná skupina.

Ve srovnání s přístupem k oblasti zájmu

Před příchodem VBM bylo manuální vymezení oblasti zájmu zlatým standardem pro měření objemu mozkových struktur. Ve srovnání s přístupem k oblasti zájmu však VBM představuje velké množství výhod, které vysvětlují jeho širokou popularitu v neuroimagingové komunitě. Ve skutečnosti se jedná o automatizovaný a relativně snadno použitelný, časově efektivní nástroj pro celý mozek, který dokáže detekovat fokální mikrostrukturální rozdíly v anatomii mozku in vivo mezi skupinami jedinců, aniž by vyžadoval jakékoli apriorní rozhodnutí o tom, kterou strukturu vyhodnotit. Kromě toho VBM vykazuje srovnatelnou přesnost s manuální volumetrií. Několik studií skutečně prokázalo dobrou korespondenci mezi těmito dvěma technikami, což poskytuje důvěru v biologickou platnost přístupu VBM.[14]

Viz také

Reference

  1. ^ Ashburner, John; Friston, Karl J. (červen 2000). „Morfometrie založená na voxelech - metody“. NeuroImage. 11 (6): 805–21. CiteSeerX  10.1.1.114.9512. doi:10.1006 / nimg.2000.0582. PMID  10860804.
  2. ^ John Ashburner (říjen 2001). „Výpočetní anatomie se softwarem SPM“. Magnetická rezonance. 27 (8): 1163–74. doi:10.1016 / j.mri.2009.01.006. PMID  19249168.
  3. ^ Natalie L. Voets; Morgan G. Hough; Gwenaëlle Douaud; Paul M. Matthews; Anthony James; Louise Winmill; Paula Webster; Stephen Smith (2008). „Důkazy o abnormalitách kortikálního vývoje u adolescentní schizofrenie“. NeuroImage. 43 (4): 665–75. doi:10.1016 / j.neuroimage.2008.08.013. PMID  18793730.
  4. ^ Anderson M. Winkler; Peter Kochunov; John Blangero; Laura Almasy; Karl Zilles; Peter T. Fox; Ravindranath Duggirala; David C. Glahn (2010). "Kortikální tloušťka nebo objem šedé hmoty? Důležitost výběru fenotypu pro zobrazovací genetické studie". NeuroImage. 53 (3): 1135–46. doi:10.1016 / j.neuroimage.2009.12.028. PMC  2891595. PMID  20006715.
  5. ^ Simone, Maria Stefania De; Scarpazza, Cristina (14. července 2016). „Morfometrie založená na voxelech: současné perspektivy“. Neurovědy a neuroekonomie: 1. doi:10.2147 / NAN.S66439. Citováno 19. května 2016.
  6. ^ Eleanor A. Maguire David G. Gadian, Ingrid S. Johnsrude, Catriona D. Dobré, John Ashburner, Richard S. J. Frackowiak, a Christopher D. Frith (2000). „Strukturální změna související s navigací v hipokampech taxikářů“. Sborník Národní akademie věd. 97 (8): 4398–4403. Bibcode:2000PNAS ... 97,4398M. doi:10.1073 / pnas.070039597. PMC  18253. PMID  10716738.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)Komentář k původnímu článku ve stejném čísle:Příběh novinky s rozhovorem výzkumného pracovníka:
  7. ^ Catriona D. Good, Ingrid S. Johnsrude, John Ashburner, Richard N.A. Henson, Karl J. Friston a Richard S.J. Frackowiak (Červenec 2001). „Voxelová morfometrická studie stárnutí u 465 normálních dospělých lidských mozků“ (PDF). NeuroImage. 14 (1): 21–36. doi:10.1006 / nimg.2001.0786. PMID  11525331.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  8. ^ John Ashburner a Karl J. Friston (Červen 2000). „Morfometrie založená na voxelech - metody“ (PDF). NeuroImage. 11 (6): 805–821. CiteSeerX  10.1.1.114.9512. doi:10.1006 / nimg.2000.0582. PMID  10860804.
  9. ^ Počet citací je zřejmý z vyhledávání pomocí Google Scholar (2007-12-07) [1].
  10. ^ Yasuhiro Kawasaki, Michio Suzuki, Ferath Kherif, Tsutomu Takahashi, Shi-Yu Zhou, Kazue Nakamura, Mie Matsui, Tomiki Sumiyoshi, Hikaru Seto a Masayoshi Kurachi (leden 2007). "Multivariační voxelová morfometrie úspěšně odlišuje pacienty se schizofrenií od zdravých kontrol". NeuroImage. 34 (1): 235–242. doi:10.1016 / j.neuroimage.2006.08.018. PMID  17045492.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  11. ^ K.E. Watkins, T. Paus, J.P.Lerch, A. Zijdenbos, D.L. Collins, P. Neelin, J. Taylor, Keith J. Worsley a Alan C. Evans (Září 2001). „Strukturální asymetrie v lidském mozku: statistická analýza 142 MRI skenů založená na voxelech“. Mozková kůra. 11 (9): 868–877. doi:10.1093 / cercor / 11.9.868. PMID  11532891.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  12. ^ E. Luders, C. Gaser, L. Jancke & G. Schlaug (červen 2004). "Přístup založený na voxelech k asymetrii šedé hmoty". NeuroImage. 22 (2): 656–664. CiteSeerX  10.1.1.58.3228. doi:10.1016 / j.neuroimage.2004.01.032. PMID  15193594.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  13. ^ Catriona D. Dobré, Ingrid Johnsrude, John Ashburner, Richard N. A. Henson, Karl J. Friston a Richard S. J. Frackowiak (Září 2001). „Cerebral Asymetry and the Effects of Sex and Handedness on Brain Structure: a Voxel-Based Morphometric Analysis of 465 Normal Adult Human Brains NeuroImage“. NeuroImage. 14 (3): 685–700. CiteSeerX  10.1.1.420.7705. doi:10.1006 / nimg.2001.0857. PMID  11506541.CS1 maint: více jmen: seznam autorů (odkaz)
  14. ^ Scarpazza C, De Simone M (červenec 2016). "Morfometrie založená na voxelech: současné perspektivy". Neurovědy a neuroekonomie. 2016 (5): 19–35.

Další čtení