Resultados
Nos propusimos reconstruir, desplegar y aplanar toda la superficie cerebelosa humana hasta el nivel de folia individual para medir cuantitativamente su superficie total, caracterizar mejor su estructura regional y proporcionar un mapa de la base cerebelosa humana de resolución completa. Aunque los neuroanatomistas han hecho durante mucho tiempo reconstrucciones diagramáticas del cerebelo, el documento de referencia de Sultan y Braitenberg (12) proporcionó las primeras reconstrucciones manuales completas de las superficies cerebelosas de humanos y muchas otras especies utilizando métodos estereológicos basados en medidas de regla de anchos y longitudes de folia seleccionadas hechas en bloques de tejido de muestra. La primera reconstrucción de RM computacional detallada basada en superficie de un cerebelo humano vivo utilizó exploraciones repetidas de un solo sujeto que se ponderaron para el tiempo de relajación longitudinal (T1), utilizando vóxeles de 1 mm de ancho a 1.5 T (13). Sin embargo, dado que un folio es típicamente de solo unos pocos mm de ancho, y debido a que las folias están tan apretadas unas contra otras, los efectos de volumen parcial hicieron difícil resolverlas por completo. Más recientemente, se utilizaron exploraciones de 7 T con vóxeles ligeramente más pequeños para reconstruir las superficies lobulares de cerebela individual (14), pero los efectos de volumen parcial nuevamente impidieron la recuperación completa de toda la folia. Como una solución pragmática para la visualización de datos funcionales y estructurales in vivo en el cerebelo, se ha convertido en una práctica común el uso de una superficie que captura el casco convexo promedio del cerebelo y se abstrae sobre los detalles más finos a nivel de lóbulo y folia (15, 16).
Para proporcionar una reconstrucción completa, cuantitativa y de alta resolución de toda la superficie cortical cerebelosa humana recuperando toda la folia, escaneamos muestras cerebelosas preservadas a 9,4 T con vóxeles isótropos de 0,19 mm de ancho mucho más pequeños a dos tiempos de eco (TEs) (Fig. 1): un TE corto para generar imágenes ponderadas por densidad de protones (PD) y un TE largo para imágenes ponderadas por tiempo de relajación transversal (T2*). Combinamos las imágenes para cancelar campos de recepción de bobinas no homogéneos, normalizamos aún más el resultado utilizando utilidades de análisis de neuroimágenes funcionales (AFNI), invertimos el contraste y luego extendimos el software FreeSurfer original para reconstruir, desplegar y aplanar toda la corteza cerebelosa (Apéndice SI, Texto Suplementario). Nuestra estimación de la superficie cerebelosa total fue mayor que cualquier estimación anterior, en el 78% de la superficie de todo el neocórtex humano.
Para determinar el tamaño máximo de vóxeles capaz de recuperar las características de la corteza cerebelosa humana hasta el nivel de folia individual, el conjunto de datos tridimensional (3D) procesado final se muestreó repetidamente y se reconstruyó, y luego las áreas de superficie resultantes se compararon con el área de superficie de la reconstrucción nativa de vóxeles de 0,19 mm de ancho. Reducción de muestreo a 0.los vóxeles de 21 mm solo produjeron una pérdida de superficie del 1%, pero los vóxeles de 0,28 mm causaron una pérdida del 14%, y los vóxeles de 0,50 mm causaron una pérdida del 50% (Apéndice del SI, Texto suplementario). Esto sugiere que una recuperación completa de la superficie cerebelosa humana al nivel de folia individual requiere vóxeles casi tan pequeños como los utilizados aquí (∼150 vóxeles por mm3), lo que resultó en una teselación de superficie densa con casi 5 millones de vértices, 25 veces más que en un hemisferio cerebral freesurf típico. Las imágenes de densidad de protones se utilizaron por sí solas para reconstruir por separado los núcleos dentados izquierdo y derecho (porque la operación T2*/PD redujo el contraste en los núcleos dentados).
Para facilitar la comparación, los datos de corte de entrada y las superficies plegadas, desplegadas y aplanadas (incluido el núcleo dentado derecho) se ilustran a la misma escala en la Fig. 2. Cada vista plegada, desplegada y aplanada se ilustra dos veces, una vez mostrando el valor de vértice de la convexidad promedio que indica los diferentes lóbulos y luego de nuevo (inmediatamente a la derecha/abajo) mostrando la curvatura local, que visualiza el plegado al nivel de la folia. Los parches de superficie verdes indican las coronas de los lóbulos y las coronas de la folia, respectivamente. La película S1 ilustra dinámicamente cómo se ven los lóbulos a medida que se despliegan.
Rebanadas cerebelosas y superficies cerebelosas plegadas, infladas y aplanadas, todas a la misma escala. Comenzando en la parte superior izquierda, las imágenes de corte se teselan y la superficie resultante se desdobló, cortó (Parte superior derecha) y aplanó. Cada superficie se muestra dos veces, primero codificada por colores por convexidad media de FreeSurfer («sulc», que marca lóbulos) y luego por curvatura local («curv», que marca folia mucho más pequeña). En la parte inferior izquierda, se muestra un cerebelo de mono macaco a la misma escala.
El área total de la superficie pial reconstruida de la corteza cerebelosa (Fig. 3) fue de 1.590 cm2 después de la corrección por contracción inducida por fijación (Apéndice SI, Texto Suplementario). Esto es considerablemente mayor que cualquier estimación anterior. A modo de comparación, la estimación anterior más grande fue de 1.128 cm2 reportada por Sultan y Braitenberg (12). Las estimaciones previas basadas en IRM de las IRM in vivo fueron uniformemente mucho más pequeñas porque la folia individual no se resolvió por completo, como señalaron los autores .
Reconstrucción de la superficie pial del cerebelo humano en vista superoposterior.
A modo de comparación, el área total de las superficies piales externas de los hemisferios cerebrales izquierdo y derecho de sujetos humanos femeninos (que es 1,2 veces la «área estándar» de FreeSurfer medida en la superficie de materia gris-blanca; Materiales y Métodos) es de 2 2.038 cm2 (17). Esto significa que el área de superficie pial del cerebelo humano es casi tan grande como la de todo el neocórtex, a pesar de que el cerebelo es aproximadamente una octava parte del volumen del neocórtex.
La mayoría de los estudios anatómicos del cerebelo han utilizado desdoblamientos y aplanamientos diagramáticos que no minimizan uniformemente la distorsión de la superficie local. Resultó ser sorprendentemente difícil desplegar y aplanar la superficie cortical cerebelosa utilizando métodos locales de preservación de la geometría desarrollados para el neocórtex, porque el cerebelo tiene más curvatura gaussiana (intrínseca) que el neocórtex (13). Al principio, esto podría parecer contradictorio, porque la folia individual alargada tiene una forma cilíndrica (en su mayoría curvatura extrínseca) y, por lo tanto, aparentemente debería poder desplegarse y aplanarse con poca distorsión angular/de área local (como desenrollar una esterilla de yoga). Sin embargo, la folia individual a nivel de la línea media del cerebelo (vermis) se divide claramente en folia múltiple cuando continúan en los hemisferios cerebelosos. En los bordes laterales de los hemisferios, estas folias aparecen en muchos casos para fusionarse de nuevo (Fig. 2, representación plana de folia). Durante el proceso de inflado de la superficie, esta geometría compleja conduce a «burbujas» que se atan tanto en el borde lateral como en la línea media (Fig. 2, vistas ventrales desplegadas y segunda mitad de la película S1). Al igual que una esfera, estas «burbujas» lobulares tienen una gran cantidad de curvatura intrínseca y no se pueden inflar más (o aplanar) sin causar una distorsión severa.
Por lo tanto, para aplanar la superficie sin introducir una distorsión local severa, cada burbuja mediolateral se desprendió en sus extremos laterales en el lóbulo anterior y en ambos extremos laterales y de la línea media en el lóbulo posterior (por ejemplo, crus I y II). Los intentos iniciales de desplegar computacionalmente la superficie de corte sin subdividirla aún más no tuvieron éxito, porque las mediciones locales que impulsan el aplanamiento se vieron abrumadas por el enorme tamaño de la malla. Por lo tanto, la malla se cortó en cuatro piezas grandes y tres piezas más pequeñas que se aplanaron por separado. La parte anterior del cerebelo se cortó en dos piezas grandes sin un corte izquierdo / derecho (lóbulos I a V y lóbulos V y VI). En la gran fisura «posterior superior» anterior a crus I, la superficie se dividió en mitades izquierda y derecha (incluyendo crus I, la fisura horizontal, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB y la fisura secundaria); el extremo anteromedial de cada una de estas manchas comienza en dos pequeñas regiones paramedianas donde la materia blanca está expuesta (sin folia superpuesta). Finalmente, los dos paraflóculos más pequeños (las «amígdalas»; lóbulo IX), se aplanaron por separado, al igual que el vermis posterior a partir del punto donde los lóbulos posteriores se cortaron en mitades derecha e izquierda. El ligero daño a los flóculos dificultó la recuperación total de la superficie.
Después de los cortes, las piezas de la superficie podrían aplanarse al tiempo que introducían una distorsión local mínima. Esto dio lugar a una superficie desplegada que se extendía en gran medida en la dirección anteroposterior; tenía casi 1 m de largo, pero solo unos 10 cm de ancho. El área de superficie del lóbulo VII junto con el lóbulo VIII fue casi el doble del área total de los lóbulos I a VI. En contraste, en despliegues anteriores (13), estas dos regiones parecen tener áreas aproximadamente iguales debido a la recuperación menos completa de la folia en el cerebelo posterior plegado complejo.
El examen de la geometría detallada de los lóbulos y la folia reveló varias características inesperadas. A medida que los lóbulos (desplegados) se acercaban a la línea media, la cresta de un lóbulo a veces descendía a una fisura en el hemisferio opuesto (Fig. 4, flechas cian grandes). Además, aunque los ejes largos de la folia a veces eran aproximadamente paralelos al eje largo de un lóbulo, una inspección de la visualización de la folia (Fig. 2, mapa de folia / curvatura local; Fig. 4, flechas pequeñas) muestra muchas regiones en las que el ángulo entre las dos es tan grande como 45° (por ejemplo, lóbulo V). Mientras se localizaban rápidamente a través de rebanadas, se hizo evidente que la folia individual a menudo subía en espiral desde lo profundo de una fisura hasta la cresta de un lóbulo y luego hacia el otro lado (Fig. 4, línea discontinua gruesa).
Geometría detallada de lóbulos y folios. Las crestas lobulares a veces se convierten en fisuras a través de la línea media (flechas gruesas de color azul/cian). Los ejes de la folia a menudo no son paralelos a los ejes lobulares (flechas pequeñas). La línea discontinua (Mitad Inferior) describe un solo folio que sube en espiral desde las profundidades de una fisura sobre la cresta del lóbulo VI. El vermis está indicado por finas líneas punteadas. En el escaneo inferior (TE largo invertido en contraste, ponderado en T2*), la célula gránula (gris claro) y las capas moleculares de gris oscuro) se pueden distinguir de la materia blanca (blanco).
también se reconstruyó las superficies de los principales núcleos de salida del cerebelo, los núcleos dentado. Antes de desplegarse, estos núcleos tienen la forma aproximada de bolsillos de pita acanalados. Las superficies se aplanaron mediante un corte de relajación medial (Fig. 2, Abajo). Su superficie total (izquierda y derecha) medida a lo largo de sus superficies externas fue de 18,6 cm2; esto no incluye los núcleos interfuncionales y fastigiales mucho más pequeños. Esto da una relación de área de corteza cerebelosa a núcleos de salida cerebelosa de > 80:1.
Para proporcionar una instantánea de cómo el área de superficie del neocórtex y el cerebelo han cambiado en la evolución de los primates, reconstruimos, medimos y desplegamos las superficies neocorticales y cerebelosas de un cerebro de mono macaco preservado utilizando métodos similares (Película S2). Se escaneó un cerebro de mono macaco empapado de gadolinio con una secuencia de FLASH estándar a 4,7 T utilizando vóxeles isotrópicos de 0,15-mm3, como se describió anteriormente (18). El cerebelo reconstruido e inflado del mono macaco (vértices de 450 K) se muestra en la parte inferior izquierda de la Fig. 2 a la misma escala que el cerebelo humano. La superficie total corregida por contracción de la superficie pial del cerebelo del mono macaco fue de 90 cm2. Esto es algo mayor de lo que se ha informado anteriormente . A modo de comparación, la superficie total de la superficie pial del neocórtex del mono macaco del mismo animal fue de 269 cm2. Por lo tanto, en los monos macacos, el cerebelo tiene al menos el 33% de la superficie del neocórtex, mientras que en los humanos, el cerebelo tiene 7 el 78% de la superficie del neocórtex, lo que explica por qué la complejidad del plegamiento del cerebelo humano ha aumentado tan dramáticamente. Aunque el ancho del voxel fue algo más pequeño para la exploración de monos, la folia en el mono es sustancialmente más pequeña que la folia en los humanos, por lo que nuestra estimación del área de superficie cerebelosa del mono puede ser ligeramente demasiado baja. Sin embargo, verificamos que todas las folias se recuperaron inspeccionando la intersección de la superficie con cada corte.