Hippocampal volume in different neuropsychiatric cohorts using a semiautomatic a semiautomatic, stereological and automatic method

Introduction: In the recent literature on the course of different neuropsychiatric disorders, volumetric changes in the hippocampus, a limbic structure with anterior-posterior anatomical and functional segmentation, have been reported. We examined hippocampal volumes in subjects with Cushing’s disease (CD), in female patients with recurrent Familial Pure Depressive Disease (rFPDD) and in a population with mild Traumatic Brain Injury (mTBI), with the hypothesis that cortisol damage on the hippocampus (HC) has an anterior-posterior gradient , depending on the clinical situation and on the interaction between environment and genetic. Additionally, we decided to validate FreeSurfer, an automated software program developed at the Martinos Center for Biomedical Imaging (Harvard University, Boston, USA). This aim is in line with the current research for determining the volume of brain areas, which has been geared towards the development of automated methods of volumetric analysis that are highly reproducible, accurate and potentially more efficient than the current gold standard of the manual technique. I Methods: We used a semi-automated software program (DCM view, Padova Ricerche, Padova, Italy) for Magnetic Resonance Imaging (MRI) to measure hippocampal volumes in ten patients with CD prior to selective surgical resection of the adrenocorticotropic hormone (ACTH)-secreting pituitary micro-adenomas using a trans-sphenoidal approach and after an interval of one year following surgery. This same program was used to measure hippocampal volumes in 15 female patients with familial recurrent Major Depression (MD) and 15 healthy female subjects. We also examined hippocampal volumes using a stereological method, using Analyze software (version 10., Biomedical Imaging Resource, Mayo Foundation, Rochester, MN, USA), in a sample of subjects with mTBI within a month and a year after head injury. In the validation study, the hippocampal volumes of a sample of elderly subjects with unipolar major depression and healthy controls were estimated using a automated method. Using FreeSurfer software, a stereological method (manual) was then used to validate it. Moreover, the accuracy and precision of the automatic delineation of all images acquired were verified. Using ANCOVA with whole-brain volume and age as covariates, volumetric measurements in the two groups with the different disorders were compared. The agreement between the volumetric measures within and between the two methods was determined by calculating Cronbach's alpha coefficient for intra- and inter-rater reliability tests. Results: We found a significant difference in the head of the hippocampus bilaterally 12 months after selective trans-sphenoidal surgical resection of the adrenocorticotropic hormone (ACTH)-secreting pituitary micro-adenomas. The right hippocampal body and tail volumes were significantly smaller in female patients with familial depressive disorder when compared to healthy subjects. No significant differences in hippocampal volumes were found in subjects with mTBI. The test of agreement between the volumetric methods was good, whereas the verification analysis for the quality of the tracing using FreeSurfer was not found to be favourable for segmentation of the hippocampus. Conclusions: The pre-post surgery difference found in our CD patients could contribute to increased the understanding of the pathophysiology of CD as an in vivo model for stress-related hypercortisolemic neuropsychiatric disorders. Our data provide evidence for structural lateralised hippocampal body and tail abnormalities in women with a familial history and recurrent episodes of depression. Although global reductions in hippocampal volume have already been widely reported, data on lateralised regional reductions in samples with familial recurrent depression had not been previously reported. Reductions in right posterior hippocampal volume may be a structural endophenotype for recurrent depressive disorders in women. A bigger sample of subjects and functional neuroimaging studies are necessary to form conclusions concerning changes in the brain structures of subjects with mTBI. The validation data from this study indicate that the automated method should be improved.

Introduzione: Variazioni volumetriche dell’ ippocampo, regione cerebrale del lobo limbico che presenta una differente segmentazione anatomica e funzionale lungo il proprio asse antero-posteriore, sono state riportate dalla recente letteratura nel corso di diversi disturbi neuropsichiatrici. In questo studio sono stati misurati i volumi ippocampali di soggetti con Morbo di Cushing, di donne con disturbo depressivo ricorrente familiare e di una popolazione con trauma cranico lieve, supponendo che il danno indotto dal cortisolo nell’ ippocampo possa variare lungo l’ asse antero-posteriore, a seconda della condizione clinica. Ciò sottolinerebbe l'importanza dell'interazione tra ambiente e genetica in questo fenomeno. Inoltre, ci siamo proposti di convalidare FreeSurfer, un software automatico sviluppato presso il Centro Martinos for Biomedical Imaging (Harvard University, Boston, USA), per determinare il volume di differenti regioni cerebrali., in linea con l'attuale ricerca orientata verso lo sviluppo di metodi automatici che avrebbero il vantaggio di elevate riproducibilità, accuratezza, e, potenzialmente, maggiore efficienza di quelli manuali, attualmente considerati il “gold standard” per la determinazione del volume delle aree cerebrali. Metodi: Un software semi automatico (DCM view, Padova Ricerche, Padova, Italy), su immagini di Risonanza Magnetica Nucleare cerebrale, è stato utilizzato per misurare il volume dell'ippocampo in 10 pazienti con Morbo di Cushing prima e dopo 12 mesi dalla resezione chirurgica selettiva, mediante un approccio transfenoidale, del microadenoma ipofisario ormone-adrenocorticotropo secernente, in 15 pazienti donne con depressione maggiore ricorrente familiare (MD) e 15 soggetti sani di sesso femminile. Un metodo stereologico, utilizzando come programma di riferimento l’Analyze software (versione 10, Biomedical Imaging Resource, Mayo Foundation, Rochester, Minnesota), è sato usato per la determinazione del volume ippocampale, in un campione di soggetti (13) con trauma cranico lieve, entro un mese e un anno dopo il trauma. Nello studio di validazione, su un campione di soggetti anziani con depressione unipolare maggiore e controlli sani, è stato calcolato il volume della regione cerebrale d’interesse sia mediante un metodo stereologico (manuale), sia attraverso il metodo automatico del programma in corso di validazione (FreeSurfer). Successivamente è stato eseguito un controllo sull’accuratezza e sulla precisione della delimitazione automatica di tutte le immagini acquisite. Sono state confrontate le misurazioni volumetriche nei due gruppi delle differenti coorti utilizzando ANCOVA, con il volume cerebrale totale ed età come covariate. L’accordo tra le misure volumetriche all’interno e tra i due metodi, nello studio di validazione, è stato testato usando Cronbach’s alpha mediante l’analisi dell’intra-rater e della inter-rater reliability. Risultati: Abbiamo trovato una differenza significativa nella testa dell'ippocampo bilateralmente nei soggetti con Morbo di Cushing dopo 12 mesi dalla resezione chirurgica selettiva, mediante approccio trans-sfenoidale, del microadenoma ipofisario ormone adrenocorticotropo secernente. I volumi del corpo e della coda dell’ ippocampo erano significativamente minori nei pazienti di sesso femminile con disturbo depressivo familiare, rispetto ai soggetti sani. Nessuna differenza significativa nei volumi hippocampali sono stati trovati nei soggetti con trauma cranico lieve. In conclusione il metodo automatico dimostra un buon accordo con il metodo stereologico, mentre il controllo sulla qualità della delimitazione automatica ha rilevato una non precisa segmentazione della regione cerebrale d’ interesse. Discussione e Conclusioni: Il dato di una differenza del volume della testa dell’ ippocampo pre-post intervento chirurgico potrebbe contribuire a comprendere meglio la fisiopatologia del Morbo di Cushing come modello in vivo per i disturbi neuropsichiatrici legati allo stress. Il dato di una riduzione del volume del corpo e della coda ippocampale in donne con storia familiare ed episodi ricorrenti di depressione. forniscono la prova di un danno strutturale lateralizzato dell'ippocampo. Sebbene la riduzione globale delle ippocampo sia già stata ampiamente riportata, i dati sulle riduzioni regionali lateralizzate nella depressione ricorrente e familiare non erano stati precedentemente segnalati. Una riduzione posteriore del volume ippocampale di destra potrebbe essere un endofenotipo strutturale per disturbi depressivi ricorrenti nelle donne. Un campione più elevato di soggetti e studi di neuroimaging funzionale sarebbero necessari per fare considerazioni sul cambiamento delle strutture cerebrali in soggetti con trauma cranico lieve. I risultati, circa la validazione, indicano che il metodo automatizzato dovrà essere ulteriormente migliorato.