resultater
vi satte os for at rekonstruere, udfolde og flade hele den menneskelige cerebellare overflade ned til niveauet for individuel folia for kvantitativt at måle dets samlede overfladeareal, bedre karakterisere dets regionale struktur og give et humant cerebellar basiskort i fuld opløsning. Selvom neuroanatomister længe har lavet diagrammatiske rekonstruktioner af lillehjernen, skelsættende papir af Sultan og Braitenberg (12) leverede de første komplette manuelle rekonstruktioner af cerebellaroverflader af mennesker og mange andre arter ved hjælp af stereologiske metoder baseret på linjemålinger af udvalgte folia-bredder og længder foretaget på prøvevævsblokke. Den første detaljerede overfladebaserede beregningsbaserede MR-rekonstruktion af et levende humant cerebellum brugte gentagne scanninger af et enkelt emne, der blev vægtet for langsgående afslapningstid (T1) ved hjælp af 1 mm brede vokser ved 1.5 T (13). Imidlertid, da et folium typisk kun er et par mm på tværs, og fordi folia er så tæt pakket mod hinanden, delvise volumeneffekter gjorde det vanskeligt at løse dem fuldt ud. For nylig blev 7-t-scanninger med lidt mindre voksler brugt til at rekonstruere de lobulære overflader af individuel cerebella (14), men delvise volumeneffekter forhindrede igen fuldstændig genopretning af al folia. Som en pragmatisk løsning til visning af in vivo funktionelle og strukturelle data på lillehjernen er det blevet almindelig praksis at bruge en overflade, der fanger det gennemsnitlige konvekse skrog i lillehjernen og abstraherer over de finere lobule – og folia-niveau detaljer (15, 16).
for at tilvejebringe en komplet, kvantitativ rekonstruktion med høj opløsning af hele den menneskelige cerebellare kortikale overflade, der genvinder al folia, scannede vi konserverede cerebellare prøver ved 9,4 T med meget mindre isotrope 0,19 mm brede vokser ved to ekkotider (Tes) (Fig. 1): en kort TE til at generere protontæthedsvægtede (PD) billeder og en lang TE til billeder vægtet af tværgående afslapningstid (T2*). Vi kombinerede billederne for at annullere inhomogene spolemodtagefelter, normaliserede resultatet yderligere ved hjælp af analyse af funktionelle neuroimages (AFNI) hjælpeprogrammer, kontrast-inverterede det og udvidede derefter det originale FreeSurfer-program til at rekonstruere, udfolde og flade hele hjernebarken (si-tillæg, supplerende tekst). Vores estimat af det samlede cerebellare overfladeareal var større end noget tidligere estimat ved 78% af overfladearealet af hele den humane neokorteks.
for at bestemme den maksimale vokselstørrelse, der er i stand til at genvinde funktionerne i den menneskelige hjernebark ned til niveauet for individuel folia, blev det endelige behandlede tredimensionelle (3D) datasæt gentagne gange nedprøvet og blev rekonstrueret, og derefter blev de resulterende overfladearealer sammenlignet med overfladearealet af den oprindelige 0,19 mm brede vokselrekonstruktion. Nedsampling til 0.21 mm vokaler resulterede kun i et 1% tab af overfladeareal, men 0,28 mm vokaler forårsagede et tab på 14%, og 0,50 mm vokaler forårsagede et tab på 50% (si-tillæg, supplerende tekst). Dette antyder, at en fuldstændig genopretning af den menneskelige cerebellaroverflade til niveauet for individuel folia kræver vokser næsten lige så små som dem, der anvendes her (150 vokser pr.mm3), hvilket resulterede i en tæt overfladetessellation med næsten 5 millioner hjørner, 25 gange mere end i en typisk FreeSurfer cerebral halvkugle. Protontæthedsbillederne blev brugt af sig selv til separat rekonstruktion af venstre og højre dentatkerner (fordi T2*/PD-operationen reducerede kontrasten i dentatkernerne).
for at lette sammenligningen er inputskivedataene og de foldede, udfoldede og flade overflader (inklusive den højre dentatkerne) alle illustreret i samme skala i Fig. 2. Hver foldet, udfoldet og fladt visning illustreres to gange, en gang viser den øverste værdi af den gennemsnitlige konveksitet, der angiver de forskellige lobuler og derefter igen (umiddelbart til højre/nedenfor), der viser den lokale krumning, som visualiserer foldningen på niveauet af folia. Grønne overfladepletter angiver henholdsvis kronerne på lobula og kronerne på folia. Film S1 illustrerer dynamisk, hvordan lobulerne kommer til syne, når udfoldelsen fortsætter.
Cerebellar skiver og foldede, oppustede, fladede cerebellare overflader, alle i samme skala. Startende i øverste venstre, skive billeder er tessellated og den resulterende overflade blev udfoldet, skåret (øverst til højre), og fladtrykt. Hver overflade vises to gange, først farvekodet af FreeSurfer gennemsnitlig konveksitet (“sulc”, som markerer lobula) og derefter ved lokal krumning (“curv”, som markerer meget mindre folia). Nederst til venstre vises en makakabe cerebellum i samme skala.
det samlede areal af den rekonstruerede pialoverflade af cerebellarbarken (Fig. 3) var 1.590 cm2 efter korrigering for fikseringsinduceret krympning (si-tillæg, supplerende tekst). Dette er betydeligt større end noget tidligere skøn. Til sammenligning var det største tidligere skøn 1.128 cm2 rapporteret af Sultan og Braitenberg (12). Tidligere MR – baserede estimater fra in vivo MR-scanninger var ensartet meget mindre, fordi individuelle folier ikke blev fuldstændigt løst, som bemærket af forfatterne .
rekonstruktion af den menneskelige cerebellums pialoverflade i superoposterior visning.
til sammenligning er det samlede areal af de ydre, Piale overflader på venstre plus højre cerebrale halvkugler hos kvindelige mennesker (hvilket er 1,2 gange FreeSurfer “standardområde” målt på den gråhvide stofoverflade; materialer og metoder) er 2.038 cm2 (17). Dette betyder, at det menneskelige cerebellums pialoverfladeareal er næsten lige så stort som for hele neokorteksen, selvom lillehjernen er omtrent en ottendedel af volumenet af neokorteksen.
de fleste anatomiske undersøgelser af lillehjernen har brugt diagrammatiske udfoldelser og fladninger, der ikke ensartet minimerer lokal overfladeforvrængning. Det viste sig at være overraskende vanskeligt at udfolde og flade den cerebellare kortikale overflade ved hjælp af lokale geometribevarende metoder udviklet til neokorteksen, fordi lillehjernen har mere Gaussisk (iboende) krumning end neokorteksen (13). Til at begynde med kan dette virke kontraintuitivt, fordi den aflange individuelle folia har en cylindrisk form (for det meste ydre krumning) og derfor tilsyneladende skal kunne udfoldes og udflades med lidt lokal areal/vinkelforvrængning (som at rulle en yogamåtte ud). Imidlertid opdeles individuel folia på niveauet af cerebellumets midterlinie (vermis) klart i flere folier, når de fortsætter ind i cerebellare halvkugler. Ved halvkuglernes laterale kanter forekommer disse folier i mange tilfælde at smelte igen (Fig. 2, flad repræsentation af folia). Under overfladeinflationsprocessen fører denne komplekse geometri til “bobler”, der er bundet ned ved både sidekanten og midtlinjen (Fig. 2, ventral udfoldede visninger og anden halvdel af film S1). Som en kugle har disse lobulære “bobler” en stor mængde indre krumning og kan ikke opblæses yderligere (eller udflades) uden at forårsage alvorlig forvrængning.
for at flade overfladen uden at indføre alvorlig lokal arealforvrængning blev hver mediolateral boble skåret løs ved dens laterale ender i den forreste lap og ved både laterale og midtlinjeender i den bageste lap (f.eks. crus i og II). De første forsøg på at beregne den skårne overflade uden yderligere at opdele den mislykkedes, fordi de lokale målinger, der driver udfladning, blev overvældet af den enorme størrelse af masken. Derfor blev masken skåret i fire store stykker og tre mindre stykker, der alle blev fladt separat. Den forreste del af lillehjernen blev skåret i to store stykker uden et Venstre/højre snit (lobula I til V og lobula V og VI). Ved den store” overlegne bageste ” revne foran crus I blev overfladen opdelt i venstre og højre halvdel (inklusive crus i, den vandrette revne, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB og den sekundære revne); den anteromediale ende af hver af disse pletter begynder i to små paramedianske regioner, hvor det hvide stof udsættes (ingen overliggende folia). Endelig er de to mindre paraflocculi (“mandlerne”; var den bageste vermis startende fra det punkt, hvor de bageste lapper blev skåret i højre og venstre halvdel. Let skade på flocculi gjorde fuld genopretning af overfladearealet der vanskeligt.
efter udskæringerne kunne overfladestykkerne derefter udflades, mens de kun indførte minimal lokal arealforvrængning. Dette resulterede i en udfoldet overflade, der blev kraftigt udvidet i anteroposterior retning; den var næsten 1 m lang, men kun omtrent 10 cm bred. Overfladearealet af lobule VII sammen med lobule VIII var næsten dobbelt så stort som det samlede areal af lobula i Til VI. i modsætning hertil synes disse to regioner i tidligere udfoldninger (13) at have omtrent lige store områder på grund af den mindre komplette genopretning af folia i det komplekst foldede posterior cerebellum.
undersøgelse af den detaljerede geometri af lobula og folia afslørede flere uventede træk. Da (udfoldede) lobuler nærmede sig midtlinjen, faldt toppen af en lobule undertiden ned i en revne i den modsatte halvkugle (Fig. 4, store cyan pile). Derudover, selvom de lange akser af folia undertiden var omtrent parallelle med den lange akse af en lobule, en inspektion af folia-visualiseringen (Fig. 2, folia / lokal krumningskort; Fig. 4, små pile) viser mange regioner, hvor vinklen mellem de to er så stor som 45 liter (f.eks. lobule V). Mens man hurtigt søgte gennem skiver, blev det tydeligt, at individuel folia ofte spirede op fra dybt i en revne til toppen af en lobule og derefter ned på den anden side (Fig. 4, tyk stiplede linje).
detaljeret geometri af lobula og folia. Lobulære kamme bliver undertiden til sprækker over midtlinjen (tykke Blå/cyan pile). Foliaakserne er ofte ikke parallelle med lobulære akser (små pile). Den stiplede linje (nederste midten) skitserer et enkelt folium, der spiraler op fra dybden af en revne over toppen af lobule VI. vermis er angivet med tynde stiplede linjer. I den nedre scanning (kontrast-omvendt lang TE, T2*-vægtet) kan granulatcellen (lysegrå) og molekylære lag mørkegrå) skelnes fra hvidt stof (hvidt).
vi rekonstruerede også overfladerne af de vigtigste outputkerner i lillehjernen, dentatkernerne. Før udfoldning har disse kerner den omtrentlige form af ribbet pita lommer. Overfladerne blev fladt ved hjælp af et medialt afslapningssnit (Fig. 2, bunden). Deres samlede overfladeareal (venstre og højre) målt langs deres ydre overflader var 18,6 cm2; dette inkluderer ikke de meget mindre indskudte og fastigiale kerner. Dette giver et areal forhold mellem cerebellar bark og cerebellar output kerner på > 80: 1.
for at give et øjebliksbillede af, hvordan overfladearealet af neokorteksen og lillehjernen har ændret sig i primatudviklingen, rekonstruerede, målte og udfoldede vi de neokortikale og cerebellare overflader af en konserveret makakabehjerne ved hjælp af lignende metoder (Film S2). En gadolinium-gennemvædet makakabehjerne blev scannet med en standard FLASHSEKVENS ved 4,7 T ved anvendelse af isotrope 0,15 mm3 vokaler, som beskrevet tidligere (18). Den rekonstruerede og oppustede makakabe cerebellum (450 K hjørner) er vist nederst til venstre i Fig. 2 i samme skala som den menneskelige cerebellum. Det samlede krympekorrigerede overfladeareal af den Piale overflade af makakaben lillehjernen var 90 cm2. Dette er noget større end tidligere rapporteret . Til sammenligning var det samlede overfladeareal af den Piale overflade af makakaben neokorteks fra det samme dyr 269 cm2. I makakaber har cerebellum således mindst 33% af overfladearealet af neokorteksen, mens cerebellum hos mennesker har 78% af overfladearealet af neokorteksen, hvilket forklarer, hvorfor kompleksiteten af foldning af det humane cerebellum er steget så dramatisk. Selvom vokselbredden var noget mindre for abescanningen, folia i Aben er væsentligt mindre end folia hos mennesker, så vores abehjerneoverfladeareal estimat kan være lidt for lavt. Ikke desto mindre bekræftede vi, at Alle folier blev genvundet ved at inspicere skæringspunktet mellem overfladen og hver skive.