Výsledky
Jsme se vydali k rekonstrukci, rozložte a vyrovnejte celý lidský cerebelární povrchu až na úroveň jednotlivých folia kvantitativně změřit jeho celkové plochy, lépe charakterizovat jeho regionální struktury a poskytovat v plném rozlišení lidského mozečku základní mapu. I když neuroanatomists dlouho dělali schematické rekonstrukce mozečku, orientační bod papír Sultan a Braitenberg (12) za předpokladu, že první kompletní manuál rekonstrukce cerebelární povrchy lidí a mnoho dalších druhů použití stereologic metody založené na pravítko měření vybraných folia šířkách a délkách provedena na vzorku tkáně bloky. První Podrobná povrchová výpočetní MRI rekonstrukce živého lidského mozečku používala opakované skeny jednoho subjektu, které byly váženy pro podélný relaxační čas (T1), za použití 1 mm širokých voxelů v 1.5 T (13). Nicméně, protože folium je obvykle jen několik mm v průměru, a protože folia jsou tak pevně zabalené proti sobě, částečné objem účinků je obtížné, aby plně vyřešit. Více nedávno, 7-T skeny s mírně menšími voxely byly použity k rekonstrukci lobulárních povrchů jednotlivých cerebel (14), ale částečné objemové efekty opět zabránily úplnému zotavení všech folií. Jako pragmatické řešení pro zobrazování in vivo funkčních a strukturálních dat na mozeček, to se stalo běžnou praxí používat povrch, který zachycuje průměrné konvexní trupu na mozeček a abstrakty více než jemnější lalůček – a folia-úroveň podrobnosti (15, 16).
poskytnout kompletní, kvantitativní, vysoké rozlišení rekonstrukce celé lidské cerebelární kortikální povrchu obnovu všech folia, skenovali jsme zachovalé cerebelární vzorky na 9,4 T s mnohem menší izotropní 0.19 mm-široký voxelů na dva echo časy (TEs) (Obr. 1): krátký TE pro generování obrazů vážených protonovou hustotou (PD) a dlouhý TE pro obrazy vážené příčným relaxačním časem (T2*). Jsme kombinovat snímky zrušit nehomogenní cívky přijímat polí, dále normalizovaný výsledek pomocí analýzy funkčních neuroimages (AFNI) nástroje, kontrast-převrácený ji, a pak se rozšířil původní FreeSurfer software, rekonstruovat, rozložte a vyrovnejte celý mozečkové kůry (SI Dodatek, Doplňující Text). Náš odhad celkové povrchové plochy mozku byl větší než jakýkoli předchozí odhad, na 78% povrchové plochy celého lidského neokortexu.
určit maximální velikost voxelu schopen zotavuje funkce lidského mozečku, mozkové kůry až na úroveň jednotlivých folií, poslední zpracované trojrozměrné (3D) datový soubor byl opakovaně dolů do vzorku, a byl znovu rekonstruován, a pak výsledné plochy byly ve srovnání s povrchu nativní 0.19 mm-široký voxel rekonstrukci. Převzorkování na 0.21 mm voxely vedly pouze ke ztrátě 1% plochy, ale 0,28 mm voxely způsobily ztrátu 14% a 0,50 mm voxely způsobily ztrátu 50% (Dodatek SI, doplňkový Text). To naznačuje, že úplné uzdravení lidského mozečku povrchu až na úroveň jednotlivých folia vyžaduje voxelů téměř stejně malé jako ty zde použité (∼150 voxelů na mm3), který vyústil v husté povrchu teselace s téměř 5 milionů vrcholů, 25 krát více, než v typické FreeSurfer mozkové hemisféry. Protonové hustoty obrázky byly použity samy o sobě, aby samostatně rekonstruovat levé a pravé dentate jádra (protože T2*/PD provoz sníží kontrast v dentate jádra).
pro snadné srovnání jsou vstupní data řezu a složené, rozložené a zploštělé povrchy (včetně pravého zubatého jádra)znázorněny ve stejném měřítku na obr. 2. Každý složil, rozložil, a zploštělý pohled je zobrazen dvakrát, jednou zobrazení vertexwise hodnota průměrné konvexnost označující různé lobules a pak znovu (hned vpravo/dole) zobrazení místní zakřivení, který vizualizuje skládací na úrovni folia. Zelené povrchové skvrny označují koruny laloků a koruny folií. Film S1 dynamicky ilustruje, jak lobule přicházejí do pohledu, jak se rozvíjí.
cerebelární plátky a složené, nafouknuté, zploštělé cerebelární povrchy, všechny ve stejném měřítku. Spouštění v Horním rohu, plátek obrázky jsou prohlížečů a výsledný povrch byl rozložen, střih (Horní Vpravo), a zploštělé. Každý povrch je zobrazen dvakrát, první barvu-kódované FreeSurfer průměrná konvexnost („šulc,“ který označuje lobules) a pak místní zakřivení („curv,“ který představuje mnohem menší folia). Vlevo dole je ve stejném měřítku zobrazen makak opice mozeček.
celková plocha rekonstruovaného piálního povrchu mozkové kůry (obr. 3) byla 1 590 cm2 po korekci pro fixaci indukované smrštění (Dodatek SI, doplňkový Text). To je podstatně větší než jakýkoli předchozí odhad. Pro srovnání, největší předchozí odhad byl 1,128 cm2 uvádí Sultána a Braitenberg (12). Předchozí odhady založené na MRI z in vivo MRI skenů byly jednotně mnohem menší, protože jednotlivé folie nebyly zcela vyřešeny, jak poznamenali autoři .
rekonstrukce piálního povrchu lidského mozečku v superoposteriorním pohledu.
Pro srovnání, celková plocha vnější, pial plochy vlevo a pravé mozkové hemisféry ženské lidské subjekty (což je 1,2 krát FreeSurfer „standardní oblasti“ měří na šedo-bílé hmoty povrchu; Materiály a Metody) je ∼2,038 cm2 (17). To znamená, že plocha piálního povrchu lidského mozečku je téměř stejně velká jako plocha celého neokortexu, i když mozeček je zhruba osmina objemu neokortexu.
většina anatomických studií mozečku používala schematické rozložení a zploštění, které rovnoměrně minimalizují lokální zkreslení povrchu. To se ukázalo být překvapivě obtížné rozložte a vyrovnejte cerebelární kortikální povrch pomocí místní geometrie-zachování metody vyvinuté pro neokortex, protože mozeček má více Gaussian (vnitřní) zakřivení než neokortex (13). Na první, se to může zdát neintuitivní, protože protáhlé jednotlivá folia mají válcovitý tvar (většinou vnější zakřivení) a tím by se zdánlivě být schopni, aby se rozvinula a zploštělé s malou místní areál/úhlové zkreslení (jako odvíjel jóga mat). Jednotlivé folie na úrovni střední linie cerebellum (vermis) se však jasně rozdělí na více folií, když pokračují do mozkových hemisfér. Na bočních okrajích hemisfér se tyto folie v mnoha případech znovu spojí (obr. 2, ploché znázornění folií). Během procesu povrchového nafukování vede tato složitá geometrie k „bublinám“, které jsou svázány jak na bočním okraji, tak na středové čáře (obr. 2, ventrální rozvinuté pohledy a druhá polovina filmu S1). Jako koule, tyto lobulární „bubliny“ mají velké množství vnitřních zaoblení a nemůže být dále nadsazené (nebo zploštělé), aniž by způsobily vážné narušení.
Proto, zploštit povrch bez zavedení závažné lokální plošné zkreslení, každý mediolaterální bublina byla odvázat na jeho boční končí v přední lalok a na oba boční a středové čáry končí v zadní lalok (např. crus i a II). Počáteční pokusy o výpočetně rozvinout řez povrch bez dalších rozdělením byly neúspěšné, protože místní měření, které disk zploštění byla ohromen obrovské velikosti ok. Proto byla síťka rozřezána na čtyři velké kusy a tři menší kusy, které byly všechny zploštělé odděleně. Přední část cerebellum byla rozřezána na dva velké kusy bez levého / pravého řezu (lobuly I až V a lobuly V A VI). Na velké „superior posterior“ prasklina na přední crus já, povrch byl rozdělen do levé a pravé poloviny (včetně crus jsem, horizontální trhliny, crus II, VIIB VIIIA, VIIIB, a sekundární trhliny), anteromediální konci každé z těchto záplat začíná na dvou malých paramedian regionech, kde je bílá hmota je vystavena (bez překrývající folia). Konečně, dva menší paraflockuli („mandle“; lalok IX), byly zploštělé odděleně, stejně jako zadní vermis začínající od bodu, kdy byly zadní laloky rozřezány na pravou a levou polovinu. Mírné poškození vloček ztěžovalo úplné zotavení povrchové plochy.
Po řezy, povrch kousky by pak mohl být zploštělé a zavádí pouze minimální lokální plošné zkreslení. Výsledkem byl rozložený povrch, který byl značně rozšířen v anteroposteriorním směru; byl téměř 1 m dlouhý, ale jen zhruba 10 cm široký. Povrch lalůčku VII spolu s lalůček VIII byl téměř dvojnásobek celkové ploše laloků I VI. V kontrastu, v předchozích unfoldings (13), tyto dva regiony se zdá, mají přibližně stejné oblasti a to z důvodu méně kompletní obnovu folia v komplexně sklopit zadní mozečku.
zkoumání podrobné geometrie laloků a folií odhalilo několik neočekávaných rysů. Jako (nesložené) lobules se blížil k čáře, hřebenu lalůček někdy sestoupil do trhliny v opačné polokouli (Obr. 4, velké azurové šipky). Kromě toho, i když dlouhé osy folia byly někdy přibližně paralelní k dlouhé ose lalůčku, kontrola folia vizualizace (Obr. 2, folia/mapa lokálního zakřivení; obr. 4, malé šipky) ukazuje mnoho oblastí, ve kterých je úhel mezi nimi až 45° (např. lobule V). Zatímco rychle listovat plátky, bylo zřejmé, že jednotlivá folia často točily až hluboko do trhliny k vrcholu lalůček a pak dolů na druhou stranu (Obr. 4, tlustá přerušovaná čára).
detailní geometrie laloků a folií. Lobulární hřebeny se někdy mění na trhliny přes středovou čáru(silné modré / azurové šipky). Osy folie často nejsou rovnoběžné s lobulárními osami (malé šipky). Přerušovaná čára (Nižší Střední) nastiňuje jeden folium, že spirály se z hlubin trhliny přes hřeben lalůček VI. Na vermis je indikován tenkou tečkovaných linek. Ve spodním skenování (kontrastně obrácený long-TE, T2 * – vážený) lze granulovou buňku (světle šedá) a molekulární vrstvy tmavě šedá) odlišit od bílé hmoty(bílá).
rekonstruovali jsme také povrchy hlavních výstupních jader mozečku, dentátových jader. Před rozložením mají tato jádra přibližný tvar žebrovaných pita kapes. Povrchy byly zploštěny pomocí mediálního relaxačního řezu (obr. 2, dole). Jejich celková plocha povrchu (vlevo a vpravo) měřená podél jejich vnějších povrchů byla 18,6 cm2; to nezahrnuje mnohem menší vložená a fastigiální jádra. To dává plošný poměr mozkové kůry k cerebelárním výstupním jádrům >80: 1.
poskytnout přehled o tom, jak na povrchu mozková kůra a mozeček se změnily v evoluci primátů, zrekonstruovali jsme, měřeno, a rozložil činnost mozkové kůry a mozečku povrchy zachovalé, makak, opice mozek používat podobné metody (Film, S2). Mozek makaků nasáklý gadoliniem byl skenován se standardní sekvencí záblesku při 4,7 T pomocí izotropních voxelů 0,15-mm3, jak bylo popsáno výše (18). Rekonstruovaný a nafouknutý makak opice mozeček (vrcholy 450 K) je znázorněn vlevo dole na obr. 2 ve stejném měřítku jako lidský mozeček. Celková plocha povrchu piálního povrchu makakového opičího mozečku korigovaná smrštěním byla 90 cm2. To je o něco větší, než bylo dříve hlášeno . Pro srovnání, celková plocha povrchu pial makak opice neokortex od stejného zvířete byla 269 cm2. Tak, v, makak, opice, mozeček má alespoň 33% plochy z neokortexu, zatímco u lidí, mozeček má ∼78% povrchu mozková kůra, což vysvětluje, proč složitost skládání lidského mozečku zvýšil tak dramaticky. Ačkoli šířka voxelu byla o něco menší pro skenování opic, folia v opici je podstatně menší než folia u lidí, takže náš odhad povrchu opičí cerebelární plochy může být mírně příliš nízký. Přesto jsme ověřili, že všechny folie byly získány kontrolou průsečíku povrchu s každým řezem.