Das menschliche Kleinhirn hat fast 80% der Oberfläche des Neokortex

Um die maximale Voxelgröße zu bestimmen, die in der Lage ist, die Merkmale der menschlichen Kleinhirnrinde bis auf die Ebene einzelner Folia wiederherzustellen, wurde der endgültige verarbeitete dreidimensionale (3D) Datensatz wiederholt heruntergesampelt und neu rekonstruiert, und dann wurden die resultierenden Oberflächenbereiche mit der Oberfläche der nativen 0,19 mm breiten Voxelrekonstruktion verglichen. Downsampling auf 0.21-mm-Voxel führten nur zu einem Flächenverlust von 1%, 0,28-mm-Voxel jedoch zu einem Verlust von 14% und 0,50-mm-Voxel zu einem Verlust von 50% (SIEHE Anhang, Ergänzungstext). Dies deutet darauf hin, dass eine vollständige Wiederherstellung der menschlichen Kleinhirnoberfläche auf das Niveau einzelner Folia Voxel erfordert, die fast so klein sind wie die hier verwendeten (∼ 150 Voxel pro mm3), was zu einer dichten Oberflächentessellation mit fast 5 Millionen Scheitelpunkten führte, 25 mal mehr als in einer typischen FreeSurfer-Gehirnhälfte. Die Protonendichtebilder wurden allein verwendet, um die linken und rechten Zahnkerne getrennt zu rekonstruieren (da die T2 * / PD-Operation den Kontrast in den Zahnkernen reduzierte).

Zur Vereinfachung des Vergleichs sind die Eingangsschnittdaten und die gefalteten, entfalteten und abgeflachten Oberflächen (einschließlich des rechten Zahnkerns) alle im gleichen Maßstab in Abb. 2. Jede gefaltete, entfaltete und abgeflachte Ansicht wird zweimal dargestellt, wobei einmal der Scheitelwert der durchschnittlichen Konvexität angezeigt wird, der die verschiedenen Läppchen angibt, und dann erneut (unmittelbar rechts / unten) die lokale Krümmung angezeigt wird, die die Faltung auf der Ebene von visualisiert Folia. Grüne Oberflächenflecken zeigen die Kronen der Läppchen bzw. die Kronen der Folia an. Der Film S1 veranschaulicht dynamisch, wie die Läppchen bei fortschreitender Entfaltung in Sicht kommen.

Die Gesamtfläche der rekonstruierten Pialoberfläche der Kleinhirnrinde (Abb. 3) betrug 1.590 cm2 nach Korrektur auf fixationsbedingten Schrumpf (SI-Anhang, Ergänzungstext). Dies ist deutlich größer als jede vorherige Schätzung. Zum Vergleich: Die größte vorherige Schätzung war 1.128 cm2, berichtet von Sultan und Braitenberg (12). Frühere MRT-basierte Schätzungen aus In-vivo-MRT-Scans waren einheitlich viel kleiner, da einzelne Folia nicht vollständig aufgelöst wurden, wie von den Autoren festgestellt .

Zum Vergleich beträgt die Gesamtfläche der äußeren, pialen Oberflächen der linken und rechten Gehirnhälfte von weiblichen Probanden (das ist das 1,2-fache der FreeSurfer- „Standardfläche“, gemessen an der Oberfläche der grau-weißen Substanz; Materialien und Methoden) ∼ 2.038 cm2 (17). Dies bedeutet, dass die piale Oberfläche des menschlichen Kleinhirns fast so groß ist wie die des gesamten Neokortex, obwohl das Kleinhirn etwa ein Achtel des Volumens des Neokortex beträgt.

Die meisten anatomischen Studien des Kleinhirns haben schematische Entfaltungen und Abflachungen verwendet, die die lokale Oberflächenverzerrung nicht gleichmäßig minimieren. Es erwies sich als überraschend schwierig, die kleinhirnkortikale Oberfläche mit lokalen geometrieerhaltenden Methoden, die für den Neokortex entwickelt wurden, zu entfalten und abzuflachen, da das Kleinhirn eine stärkere gaußsche (intrinsische) Krümmung aufweist als der Neokortex (13). Dies mag zunächst kontraintuitiv erscheinen, da die länglichen Einzelfolien eine zylindrische Form (meist extrinsische Krümmung) haben und daher scheinbar mit geringer lokaler Flächen- / Winkelverzerrung (wie das Abrollen einer Yogamatte) entfaltet und abgeflacht werden können. Einzelne Folia auf Höhe der Mittellinie des Kleinhirns (Vermis) teilen sich jedoch deutlich in mehrere Folia auf, wenn sie sich in die Kleinhirnhemisphären fortsetzen. An den seitlichen Rändern der Halbkugeln scheinen diese Folia in vielen Fällen wieder zu verschmelzen (Abb. 2, flächige Darstellung der Folia). Diese komplexe Geometrie führt beim Aufblasen der Oberfläche zu „Blasen“, die sowohl an der Seitenkante als auch an der Mittellinie gebunden werden (Abb. 2, ventrale entfaltete Ansichten und zweite Hälfte des Films S1). Wie eine Kugel haben diese lobulären „Blasen“ eine große Eigenkrümmung und können nicht weiter aufgeblasen (oder abgeflacht) werden, ohne eine starke Verzerrung zu verursachen.

Um die Oberfläche zu glätten, ohne eine starke lokale flächige Verzerrung einzuführen, wurde daher jede mediolaterale Blase an ihren lateralen Enden im Vorderlappen und sowohl an den lateralen als auch an den Mittellinienenden im Hinterlappen (z. B. Crus I und II) gelöst. Erste Versuche, die Schnittfläche rechnerisch aufzurollen, ohne sie weiter zu unterteilen, blieben erfolglos, da die lokalen Messungen, die die Abflachung vorantreiben, durch die enorme Größe des Netzes überfordert waren. Daher wurde das Netz in vier große und drei kleinere Stücke geschnitten, die alle separat abgeflacht wurden. Der vordere Teil des Kleinhirns wurde in zwei große Stücke ohne Links / Rechts-Schnitt geschnitten (Läppchen I bis V und Läppchen V und VI). An der großen „superior posterior“ Fissur vor Crus I wurde die Oberfläche in linke und rechte Hälften geteilt (einschließlich Crus I, der horizontalen Fissur, Crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB und der sekundären Fissur); Das anteromediale Ende jedes dieser Flecken beginnt an zwei kleinen paramedianen Regionen, in denen die weiße Substanz freigelegt ist (keine darüber liegenden Folia). Schließlich die beiden kleineren Paraflokkuli (die „Mandeln“; IX), wurden separat abgeflacht, ebenso wie die hinteren Vermis, beginnend an dem Punkt, an dem die hinteren Lappen in rechte und linke Hälften geschnitten wurden. Leichte Schäden an den Flocken erschwerten die vollständige Wiederherstellung der Oberfläche.

Nach den Schnitten konnten die Oberflächenstücke dann abgeflacht werden, wobei nur eine minimale lokale flächige Verzerrung eingeführt wurde. Es entstand eine entfaltete Fläche, die in anteroposteriorer Richtung stark ausgedehnt war; sie war fast 1 m lang, aber nur etwa 10 cm breit. Die Oberfläche des Läppchens VII zusammen mit dem Läppchen VIII war fast doppelt so groß wie die Gesamtfläche der Läppchen I bis VI. Im Gegensatz dazu scheinen diese beiden Regionen bei früheren Entfaltungen (13) aufgrund der weniger vollständigen Wiederherstellung der Folia im komplex gefalteten hinteren Kleinhirn ungefähr gleiche Flächen zu haben.

Die Untersuchung der detaillierten Geometrie der Läppchen und Folia ergab mehrere unerwartete Merkmale. Als sich (entfaltete) Läppchen der Mittellinie näherten, stieg der Kamm eines Läppchens manchmal in eine Fissur in der gegenüberliegenden Hemisphäre ab (Abb. 4, große cyan pfeile). Obwohl die langen Achsen der Folia manchmal ungefähr parallel zur langen Achse eines Läppchens waren, wurde eine Inspektion der Folia-Visualisierung (Abb. 2, folia/lokale Krümmungskarte; Abb. 4, kleine Pfeile) zeigt viele Bereiche, in denen der Winkel zwischen beiden bis zu 45° beträgt (z. B. Läppchen V). Beim schnellen Blättern durch die Scheiben wurde deutlich, dass sich einzelne Folia oft von tief in einer Fissur zum Kamm eines Läppchens und dann auf der anderen Seite nach unten bewegten (Abb. 4, dicke gestrichelte Linie).

Wir rekonstruierten auch die Oberflächen der wichtigsten Ausgangskerne des Kleinhirns, der Zahnkerne. Vor dem Entfalten haben diese Kerne die ungefähre Form von gerippten Pita-Taschen. Die Oberflächen wurden mit einem medialen Relaxationsschnitt abgeflacht (Abb. 2, unten). Ihre Gesamtoberfläche (links und rechts), gemessen entlang ihrer Außenflächen, betrug 18,6 cm2; Dies schließt die viel kleineren dazwischenliegenden und fastigialen Kerne nicht ein. Dies ergibt ein Flächenverhältnis von Kleinhirnkortex zu Kleinhirnausgangskernen von > 80:1.

Um eine Momentaufnahme zu liefern, wie sich die Oberfläche des Neokortex und des Kleinhirns in der Primatenevolution verändert hat, haben wir die neokortikalen und Kleinhirnoberflächen eines konservierten Makaken-Affenhirns mit ähnlichen Methoden rekonstruiert, gemessen und entfaltet (Film S2). Ein Gadolinium-getränktes Makaken-Affenhirn wurde mit einer Standard-FLASH-Sequenz bei 4,7 T unter Verwendung isotroper 0,15-mm3-Voxel gescannt, wie zuvor beschrieben (18). Das rekonstruierte und aufgeblasene Kleinhirn des Makaken (450 K-Scheitelpunkte) ist unten links in Abb. 2 im gleichen Maßstab wie das menschliche Kleinhirn. Die gesamte schrumpfungskorrigierte Oberfläche der Pialoberfläche des Kleinhirns des Makaken betrug 90 cm2. Dies ist etwas größer als zuvor berichtet . Zum Vergleich betrug die Gesamtoberfläche der Pialoberfläche des Makaken-Affen-Neokortex desselben Tieres 269 cm2. So hat das Kleinhirn bei Makaken mindestens 33% der Oberfläche des Neokortex, während das Kleinhirn beim Menschen ∼78% der Oberfläche des Neokortex hat, was erklärt, warum die Komplexität der Faltung des menschlichen Kleinhirns so dramatisch zugenommen hat. Obwohl die Voxelbreite für den Affenscan etwas kleiner war, sind die Folia beim Affen wesentlich kleiner als die Folia beim Menschen, so dass unsere Schätzung der Kleinhirnoberfläche des Affen möglicherweise etwas zu niedrig ist. Nichtsdestotrotz haben wir überprüft, dass alle Folia wiederhergestellt wurden, indem wir den Schnittpunkt der Oberfläche mit jeder Scheibe inspizierten.