《PLOS One》：Revisiting the role of structural connectivity-based parcellation in thalamic nuclei segmentation: Benchmarking against recent state-of-the-art methods
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利用扩散纤维束成像，基于连接的分区（connectivity-based parcellation，CBP）是丘脑核团分割中最古老的方法之一。本研究的目标是使用更高空间分辨率的扩散磁共振成像（diffusion MRI）数据和重建算法重新评估CBP，并将其与最
利用扩散纤维束成像，基于连接的分区（connectivity-based parcellation，CBP）是丘脑核团分割中最古老的方法之一。本研究的目标是使用更高空间分辨率的扩散磁共振成像（diffusion MRI）数据和重建算法重新评估CBP，并将其与最新的先进丘脑核团分割方法进行比较。此外，研究人员系统地将这些方法与三个组织学图谱和一个基于功能磁共振成像（functional MRI）的图谱进行对比，以考察它们在解剖学上的相似性与差异。研究人员分析了来自人类连接组计划年轻成人数据库（Human Connectome Project Young Adult database）中67名健康个体的高分辨率扩散和T1加权MRI数据。CBP采用概率纤维追踪技术，结合源自人类连接组计划多模态分区1.0图谱（Human Connectome Project Multi-Modal Parcellation 1.0 atlas）标签合并而成的8个、11个和23个皮层靶区进行。结果与三种最新方法进行了比较：取向分布函数聚类（orientation distribution function clustering，ODF）、纤维束密度成像（track density imaging，TDI）和基于结构MRI的分割。研究人员在蒙特利尔神经研究所空间（Montreal Neurological Institute space）进行组水平分析，并使用四个图谱（三个组织学图谱、一个功能图谱）计算Dice重叠系数。采用更新数据和方法获得的CBP结果仍与原始CBP分区结果高度相似。在所有图谱中，观察到一致的层级顺序：HIPS-THOMAS表现最佳，其次是TDI、ODF和CBP（Kendall系数W=1.00，p=0.007）。组织学图谱之间显示高度相互一致性（Pearson r=0.71–0.85），而Zhang图谱的一致性较低（Pearson r=0.51–0.63）。尽管方法学有所进步，CBP在描绘具有组织学精度的丘脑核团方面仍存在局限。相比之下，基于结构和扩散微结构的方法提供了更好的核团定位。这些发现凸显了需要整合结构和扩散信息的混合工作流程，以实现更可靠的丘脑分割，从而支持神经科学研究。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
丘脑是大脑皮层下结构，负责感觉、运动和认知信息的中继与整合，由多个功能特化的核团构成。这些核团在多种神经疾病中扮演关键角色，例如腹后外侧核与神经病理性疼痛相关，内侧背核与阿尔茨海默病相关，而枕核则在癫痫中发挥作用。准确分割丘脑核团对于临床诊断、深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）和磁共振引导聚焦超声（MR-guided focused ultrasound，MRgFUS）靶向治疗至关重要。过去二十年间，基于扩散加权成像（diffusion-weighted imaging，DWI）的基于连接的分区（connectivity-based parcellation，CBP）成为最古老且应用广泛的丘脑核团分割方法之一（Behrens等，2003）。然而，CBP依赖于长程纤维追踪和预定义的皮层靶区，其组织学准确性始终存在争议。近年来，多种新方法涌现，包括基于取向分布函数聚类（orientation distribution function clustering，ODF）、纤维束密度成像（track density imaging，TDI）和基于结构MRI的HIPS-THOMAS方法，但缺乏在相同队列中与CBP的系统性基准比较。因此，本研究旨在重新评估CBP，利用高分辨率扩散MRI数据和先进重建算法，并首次与这三种最新先进方法进行对比，以明确不同方法在解剖相似性上的相对优劣。该研究发表在《PLOS One》。
**关键技术方法**
研究人员从人类连接组计划年轻成人数据库（Human Connectome Project Young Adult database，HCP-YA）中选取67名健康年轻成人（22–35岁），获取其结构T1加权MRI（0.7 mm各向同性）和高分辨率扩散MRI数据（1.25 mm各向同性，三壳层b=1000/2000/3000 s/mm2，270个扩散方向）。CBP采用MRtrix3软件进行概率纤维追踪，基于Glasser皮层图谱（Human Connectome Project Multi-Modal Parcellation 1.0）组合成8、11、23个皮层靶区，并应用胜者全得（Winner-Take-All，WTA）策略分配丘脑体素。对比方法包括：基于球谐函数表示的ODF k-means聚类、基于手动勾画6名HCP-YA受试者的概率TDI图谱、以及基于合成白质抑制图像的HIPS-THOMAS多图谱分割。所有结果归一化至MNI空间，并计算与四个参考图谱（Morel、Allen Human Brain、Ilinsky、Zhang）的Dice重叠系数，采用Kendall一致性系数（W）评估方法排名一致性。
**研究结果**
*结果：CBP使用8、11和23个皮层感兴趣区的结果*
利用Glasser图谱组合的8、11和23个皮层靶区进行CBP，生成了空间概率标签图和最大概率标签图。与Behrens等（2003）原始CBP相比，8分区方案在轴位显示出与前-后分层模式一致的前运动、运动、感觉、顶叶和视觉皮层连接，但将前额叶和额叶区域分开。23分区方案因皮层靶区增多导致后部丘脑体素连接模式噪声增大，在25%概率阈值下后部区域大量缺失。11分区作为中间方案提供了更精细的图谱，但仍存在听觉区域连接缺失的问题。
*结果：丘脑与8分区的连接*
在8分区方案中，研究人员观察到与Behrens等一致的前-后分层模式，包括前运动、运动、感觉、顶叶和视觉皮层区域，额叶区域被细分为前额叶（浅红色）和额叶（深红色）部分，验证了CBP的重复性。
*结果：丘脑与23分区的连接*
23分区方案产生更嘈杂的分区模式，例如听觉标签11和后扣带回标签19在阈值后消失，提示后部丘脑体素缺乏跨被试一致性，即更细致的皮层靶区并未改善边界定义，反而加剧了变异性。
*结果：丘脑与11分区的连接*
11分区方案作为8和23的折中，提供了更精细的丘脑图谱，但仍存在局限性，例如胜者全得（WTA）后听觉区域连接显著缺失，可能源于丘脑与听觉皮层之间的纤维追踪不足。
*结果：丘脑分区方法之间的比较*
将8分区CBP最大概率标签图与ODF聚类、TDI和HIPS-THOMAS分割在相同MNI层面进行视觉比较。HIPS-THOMAS最接近Morel图谱，因利用合成白质抑制对比且先验基于Morel图谱。TDI利用超短程纤维和超分辨率，表现出与Morel图谱的良好对应。ODF利用扩散微结构但分辨率较低，某些核团（如前腹侧+腹前侧）合并，枕核被分割。CBP因依赖长程连接，与细胞构筑图谱差异最大，但枕核的侧向（视觉）与内侧（颞叶）细分在ODF中也有体现。
*结果：定量性能评估*
计算四种方法（CBP、ODF、TDI、HIPS-THOMAS）与四个图谱（Morel、Allen、Ilinsky、Zhang）的Dice重叠系数。对于每个核团，选取最高Dice值的体素。在Morel图谱上，感觉和额叶分区Dice>0.50；ODF在Parcel 2（内侧背核，Dice=0.659）和Parcel 4（枕核，Dice=0.594）表现最佳；TDI在前部（Dice=0.550）和枕核（Dice=0.603）最优；HIPS-THOMAS在腹外侧后核（ventral lateral posterior，VLP，Dice=0.769）和腹后外侧核（ventral posterolateral，VPL，Dice=0.719）最高。跨所有图谱，一致层级为：HIPS-THOMAS > TDI > ODF > CBP（Kendall’s W=1.00, p=0.00738），表明方法排名高度稳定。
*结果：图谱一致性*
通过Pearson相关计算图谱间一致性，发现经典组织学图谱（Morel、Allen、Ilinsky）之间高度正相关（Fisher Z均值0.770–0.854），而Zhang图谱（连接性图谱）与组织学图谱的相关性较低（Fisher Z均值0.603–0.631），说明功能图谱与组织学图谱存在系统性差异。
**讨论与结论**
讨论指出，尽管经过二十年方法学进步，CBP的结果结构仍与原始版本高度相似，呈现出条带状或“千层蛋糕”模式，这反映了丘脑-皮层投射的拓扑梯度，而非离散的细胞构筑核团边界。CBP的胜者全得策略将边际差异转化为绝对标签，且增加皮层靶区数（8到23）反而加剧噪声，尤其在丘脑后部核团。此外，CBP仅依赖皮层连接，忽略来自脑干、基底节等皮层下输入，因此无法全面表征核团组织。相比之下，HIPS-THOMAS凭借结构MRI的高对比度和Morel图谱先验，实现了最高的组织学一致性；ODF和TDI利用局部纤维架构，在核团边界描绘上优于CBP。研究人员强调，CBP更适合用于连接性研究，而精确核团定位（如DBS靶向）应优先考虑结构方法。未来需开发整合结构、微结构和连接信息的混合工作流程。
**研究结论**
研究结果指出，尽管经过二十年的持续发展，CBP仍保留其原始构型的条带状外观。虽然CBP仍然是广泛使用的丘脑-皮层映射工具，但本研究的比较显示，HIPS-THOMAS在相对于组织学图谱的整体准确性方面表现最佳，而ODF聚类和TDI在描绘单个丘脑核团的解剖学一致边界方面最为有效。这些观察结果强调了仔细考虑不同分割策略优势和局限的重要性，直接建模局部纤维架构的方法有望弥合活体成像与组织学精度之间的差距。
