We present a technique for automatically assigning a neuroanatomical label to each location on a cortical surface model based on probabilistic information estimated from a manually labeled training set. This procedure incorporates both geometric information derived from the cortical model, and neuroanatomical convention, as found in the training set. The result is a complete labeling of cortical sulci and gyri. Examples are given from two different training sets generated using different neuroanatomical conventions, illustrating the flexibility of the algorithm. The technique is shown to be comparable in accuracy to manual labeling.

The thickness of the cerebral cortex was measured in 106 non-demented participants ranging in age from 18 to 93 years. For each participant, multiple acquisitions of structural T1-weighted magnetic resonance imaging (MRI) scans were averaged to yield high-resolution, high-contrast data sets. Cortical thickness was estimated as the distance between the gray/white boundary and the outer cortical surface, resulting in a continuous estimate across the cortical mantle. Global thinning was apparent by middle age. Men and women showed a similar degree of global thinning, and did not differ in mean thickness in the younger or older groups. Age-associated differences were widespread but demonstrated a patchwork of regional atrophy and sparing. Examination of subsets of the data from independent samples produced highly similar age-associated patterns of atrophy, suggesting that the specific anatomic patterns within the maps were reliable. Certain results, including prominent atrophy of prefrontal cortex and relative sparing of temporal and parahippocampal cortex, converged with previous findings. Other results were unexpected, such as the finding of prominent atrophy in frontal cortex near primary motor cortex and calcarine cortex near primary visual cortex. These findings demonstrate that cortical thinning occurs by middle age and spans widespread cortical regions that include primary as well as association cortex.

In vivo MRI-derived measurements of human cerebral cortex thickness are providing novel insights into normal and abnormal neuroanatomy, but little is known about their reliability. We investigated how the reliability of cortical thickness measurements is affected by MRI instrument-related factors, including scanner field strength, manufacturer, upgrade and pulse sequence. Several data processing factors were also studied. Two test–retest data sets were analyzed: 1) 15 healthy older subjects scanned four times at 2-week intervals on three scanners; 2) 5 subjects scanned before and after a major scanner upgrade. Within-scanner variability of global cortical thickness measurements was <0.03 mm, and the point-wise standard deviation of measurement error was approximately 0.12 mm. Variability was 0.15 mm and 0.17 mm in average, respectively, for cross-scanner (Siemens/GE) and cross-field strength (1.5 T/3 T) comparisons. Scanner upgrade did not increase variability nor introduce bias. Measurements across field strength, however, were slightly biased (thicker at 3 T). The number of (single vs. multiple averaged) acquisitions had a negligible effect on reliability, but the use of a different pulse sequence had a larger impact, as did different parameters employed in data processing. Sample size estimates indicate that regional cortical thickness difference of 0.2 mm between two different groups could be identified with as few as 7 subjects per group, and a difference of 0.1 mm could be detected with 26 subjects per group. These results demonstrate that MRI-derived cortical thickness measures are highly reliable when MRI instrument and data processing factors are controlled but that it is important to consider these factors in the design of multi-site or longitudinal studies, such as clinical drug trials.

Background: Huntington's disease (HD) is a fatal and progressive neurodegenerative disease that is accompanied by involuntary movements, cognitive dysfunction, and psychiatric symptoms. Although progressive striatal degeneration is known to occur, little is known about how the disease affects the cortex, including which cortical regions are affected, how degeneration proceeds, and the relationship of the cortical degeneration to clinical symptoms. The cortex has been difficult to study in neurodegenerative diseases primarily because of its complex folding patterns and regional variability; however, an understanding of how the cortex is affected by the disease may provide important new insights into it. Methods: Novel automated surface reconstruction and high-resolution MR images of 11 patients with HD and 13 age-matched subjects were used to obtain cortical thickness measurements. The same analyses were performed on two postmortem brains to validate these methods. Results: Regionally specific heterogeneous thinning of the cortical ribbon was found in subjects with HD. Thinning occurred early, differed among patients in different clinical stages of disease, and appeared to proceed from posterior to anterior cortical regions with disease progression. The sensorimotor region was statistically most affected. Measurements performed on MR images of autopsy brains analyzed similarly were within 0.25 mm of those obtained using traditional neuropathologic methods and were statistically indistinguishable. Conclusions: The authors propose that the cortex degenerates early in disease and that regionally selective cortical degeneration may explain the heterogeneity of clinical expression in HD. These measures might provide a sensitive prospective surrogate marker for clinical trials of neuroprotective medications.

Alzheimer's disease (AD) is associated with neurodegeneration in vulnerable limbic and heteromodal regions of the cerebral cortex, detectable in vivo using magnetic resonance imaging. It is not clear whether abnormalities of cortical anatomy in AD can be reliably measured across different subject samples, how closely they track symptoms, and whether they are detectable prior to symptoms. An exploratory map of cortical thinning in mild AD was used to define regions of interest that were applied in a hypothesis-driven fashion to other subject samples. Results demonstrate a reliably quantifiable in vivo signature of abnormal cortical anatomy in AD, which parallels known regional vulnerability to AD neuropathology. Thinning in vulnerable cortical regions relates to symptom severity even in the earliest stages of clinical symptoms. Furthermore, subtle thinning is present in asymptomatic older controls with brain amyloid binding as detected with amyloid imaging. The reliability and clinical validity of AD-related cortical thinning suggests potential utility as an imaging biomarker. This “disease signature” approach to cortical morphometry, in which disease effects are mapped across the cortical mantle and then used to define ROIs for hypothesis-driven analyses, may provide a powerful methodological framework for studies of neuropsychiatric diseases.

Objective:  To use fMRI to investigate whether hippocampal and entorhinal activation during learning is altered in the earliest phase of mild cognitive impairment (MCI). Methods:  Three groups of older individuals were studied: 10 cognitively intact controls, 9 individuals at the mild end of the spectrum of MCI, and 10 patients with probable Alzheimer disease (AD). Subjects performed a face-name associative encoding task during fMRI scanning, and were tested for recognition of stimuli afterward. Data were analyzed using a functional-anatomic method in which medial temporal lobe (MTL) regions of interest were identified from each individual9s structural MRI, and fMRI activation was quantified within each region. Results:  Significantly greater hippocampal activation was present in the MCI group compared to controls; there were no differences between these two groups in hippocampal or entorhinal volumes. In contrast, the AD group showed hippocampal and entorhinal hypoactivation and atrophy in comparison to controls. The subjects with MCI performed similarly to controls on the fMRI recognition memory task; patients with AD exhibited poorer performance. Across all 29 subjects, greater mean entorhinal activation was found in the subgroup of 13 carriers of the APOE ε4 allele than in the 16 noncarriers. Conclusions:  The authors hypothesize that there is a phase of increased medial temporal lobe activation early in the course of prodromal Alzheimer disease followed by a subsequent decrease as the disease progresses.

Cerebral white matter (WM) undergoes various degenerative changes with normal aging, including decreases in myelin density and alterations in myelin structure. We acquired whole-head, high-resolution diffusion tensor images (DTI) in 38 participants across the adult age span. Maps of fractional anisotropy (FA), a measure of WM microstructure, were calculated for each participant to determine whether particular fiber systems of the brain are preferentially vulnerable to WM degeneration. Regional FA measures were estimated from nine regions of interest in each hemisphere and from the genu and splenium of the corpus callosum (CC). The results showed significant age-related decline in FA in frontal WM, the posterior limb of the internal capsule (PLIC), and the genu of the CC. In contrast, temporal and posterior WM was relatively preserved. These findings suggest that WM alterations are variable throughout the brain and that particular fiber populations within prefrontal region and PLIC are most vulnerable to age-related degeneration.