tulokset
lähdimme rekonstruoimaan, avautumaan ja litistämään koko ihmisen pikkuaivojen pintaa yksittäisten folioiden tasolle mitataksemme kvantitatiivisesti sen kokonaispinta-alaa, luonnehtiaksemme paremmin sen alueellista rakennetta ja tarjotaksemme täydellisen resoluution ihmisen pikkuaivojen peruskartan. Vaikka neuroanatomistit ovat jo pitkään tehneet diagrammaattisia rekonstruktioita pikkuaivoista, Sultanin ja Braitenbergin kirja (12) tarjosi ensimmäisen täydellisen manuaalisen rekonstruktion ihmisten ja monien muiden lajien pikkuaivojen pinnoista stereologisin menetelmin, jotka perustuivat viivaimen mittauksiin valituista folian leveyksistä ja pituuksista, jotka on tehty kudosnäytteistä. Elävän ihmisen pikkuaivojen ensimmäisessä yksityiskohtaisessa pintapohjaisessa laskennallisessa MRI-rekonstruktiossa käytettiin yksittäisen koehenkilön toistuvia, pitkittäisen rentoutumisajan (T1) painotettuja kuvauksia, joissa käytettiin 1 mm: n leveitä vokseleita 1.5 T (13). Koska foliumin läpimitta on kuitenkin tyypillisesti vain muutama mm, ja koska Foliat ovat niin tiiviisti toisiaan vasten pakattuja, osittaisten tilavuusvaikutusten vuoksi niitä oli vaikea täysin ratkaista. Viime aikoina yksittäisten pikkuaivojen (14) lobulaaristen pintojen rekonstruointiin käytettiin 7-T-skannauksia hieman pienemmillä vokseleilla, mutta osittaistilavuusvaikutukset estivät jälleen kaikkien folioiden täydellisen palautumisen. Käytännöllisenä ratkaisuna pikkuaivojen in vivo-toiminnallisten ja rakenteellisten tietojen näyttämiseen on tullut yleiseksi käytännöksi käyttää pintaa, joka kaappaa pikkuaivojen keskimääräisen kuperan rungon ja abstrahoi hienommat lobule – ja folia-tason yksityiskohdat (15, 16).
saadaksemme täydellisen, kvantitatiivisen, korkean resoluution rekonstruktion koko ihmisen pikkuaivojen aivokuoren pinnasta, jossa on kaikki folia, skannasimme säilötyt pikkuaivonäytteet 9,4 T: n tarkkuudella ja paljon pienemmät isotrooppiset 0,19 mm: n levyiset vokselit kahdella kaikukerralla (Tes) (Kuva. 1): lyhyt TE protonitiheyspainotteisten (PD) Kuvien tuottamiseksi ja pitkä TE kuville, jotka on painotettu poikittaisella rentoutumisajalla (T2*). Yhdistimme kuvat peruuttamaan epähomogeeniset kela vastaanottaa kenttiä, edelleen normalisoitu tulos käyttäen analyysi toiminnallisten neuroimages (AFNI) apuohjelmia, kontrasti-Käänteinen se, ja sitten laajennettu alkuperäinen FreeSurfer ohjelmisto rekonstruoida, avautua, ja litistää koko pikkuaivokuori (SI liite, täydentävä teksti). Arviomme pikkuaivojen kokonaispinta-alasta oli suurempi kuin mikään aiempi arvio, 78% ihmisen koko neokorteksin pinta-alasta.
jotta voitiin määrittää suurin vokselikoko, joka kykenee palauttamaan ihmisen pikkuaivokuoren piirteet yksittäisten folioiden tasolle, lopullinen käsitelty kolmiulotteinen (3D) aineisto otettiin toistuvasti alas ja rekonstruoitiin uudelleen, ja sen jälkeen saatuja pinta-aloja verrattiin alkuperäisen 0,19 mm: n levyisen vokselin rekonstruktion pinta-alaan. Pienennän näytteen arvoon 0.21 mm voxels aiheutti vain 1% menetys pinta-ala, mutta 0,28 mm voxels aiheutti 14% menetys, ja 0,50 mm voxels aiheutti 50% menetys (SI lisäys, täydentävä teksti). Tämä viittaa siihen, että ihmisen pikkuaivojen täydellinen palautuminen yksittäisten folioiden tasolle vaatii lähes yhtä pieniä vokseleita kuin tässä käytetyt (∼150 vokselia / mm3), mikä johti tiheään pintatessellaatioon lähes 5 miljoonalla verticellä, 25 kertaa enemmän kuin tyypillisellä vapaalla aivopuoliskolla. Protonitiheyskuvia käytettiin itse vasemman ja oikean hammasytimen tumien erikseen rekonstruointiin (koska T2*/PD-operaatio pienensi kontrastia hammasytimissä).
vertailun helpottamiseksi syötetiedot sekä taittuneet, taittamattomat ja litistetyt pinnat (mukaan lukien oikeanpuoleinen hammasydän) on kaikki kuvattu samalla mittakaavalla kuviossa. 2. Jokainen taitettu, taittamaton ja litistetty näkymä havainnollistetaan kahdesti, kerran näyttämällä keskimääräisen konveksisuuden vertexwise-arvo, joka osoittaa eri lobules, ja sitten taas (välittömästi oikealle/alle) näyttämällä paikallinen kaarevuus, joka visualisoi taittumisen folian tasolla. Vihreä pinta laikkuja osoittavat kruunut lobules ja kruunut folio, vastaavasti. Elokuva S1 dynaamisesti kuvaa, miten lobules tulevat näkyviin kehittymässä etenee.
Pikkuaivoviipaleet ja taittuneet, paisutetut, litistyneet pikkuaivojen pinnat, kaikki samassa mittakaavassa. Alkaen vasemmassa yläkulmassa, viipale kuvat ovat tessellated ja tuloksena pinta oli taittamaton, leikattu (oikeassa yläkulmassa), ja litistetty. Jokainen pinta esitetään kahdesti, ensin värikoodattuna Freesurferin keskimääräisellä konveksisuudella (”sulc”, joka merkitsee lobulesia) ja sitten paikallisella kaarevuudella (”curv”, joka merkitsee paljon pienempää folia). Vasemmassa alalaidassa näkyy makakiapinan pikkuaivot samassa mittakaavassa.
pikkuaivokuoren rekonstruoidun piaalipinnan kokonaispinta-ala (Kuva. 3) oli 1 590 cm2 korjattuaan kiinnityksen aiheuttaman kutistumisen (SI lisäys, Lisäteksti). Tämä on huomattavasti suurempi kuin mikään aiempi arvio. Vertailun vuoksi suurin aiempi arvio oli Sultanin ja Braitenbergin ilmoittama 1 128 cm2 (12). Aiemmat in vivo-magneettikuvausten perusteella tehdyt arviot olivat tasaisesti paljon pienempiä, koska yksittäiset folia-arvot eivät täysin ratkenneet, kuten kirjoittajat totesivat .
ihmisen pikkuaivojen piaalipinnan rekonstruktio superoposterior-näkymässä.
vertailun vuoksi naisihmisten vasemman ja oikean aivopuoliskon ulompien, piaalipintojen kokonaispinta-ala (joka on 1,2 kertaa Harmaanvalkoiselta ainepinnalta mitattu FreeSurfer – ”standardipinta-ala”; materiaalit ja menetelmät) on ∼2,038 cm2 (17). Tämä tarkoittaa, että ihmisen pikkuaivojen pialin pinta-ala on lähes yhtä suuri kuin koko neokorteksin, vaikka pikkuaivojen tilavuus on noin kahdeksasosa neokorteksin tilavuudesta.
useimmissa pikkuaivojen anatomisissa tutkimuksissa on käytetty diagrammisia avautumisia ja litistyksiä, jotka eivät tasaisesti minimoi paikallista pintavääristymää. Pikkuaivokuoren pinnan avautuminen ja litistyminen osoittautui yllättävän vaikeaksi käyttämällä neokorteksille kehitettyjä paikallisia geometriaa säilyttäviä menetelmiä, koska pikkuaivoissa on enemmän Gaussin (luontaista) kaarevuutta kuin neokorteksissa (13). Aluksi tämä saattaa tuntua vastavaikuttavalta, koska pitkänomainen yksittäinen folia on lieriömäinen muoto (enimmäkseen ulkoinen kaarevuus) ja siten pitäisi näennäisesti pystyä avautumaan ja litistymään pienellä paikallisella areal/kulmavääristymällä (kuten purkamalla joogamatto). Yksittäiset folia pikkuaivojen keskiviivan tasolla (vermis) kuitenkin selvästi jakaantuvat useiksi folioiksi jatkuessaan pikkuaivopuoliskoihin. Puolipallojen sivureunoilla nämä foliot näyttävät monissa tapauksissa sulavan uudelleen (Kuva. 2, flat representation of folia). Pintainflaatioprosessin aikana tämä monimutkainen geometria johtaa ”kupliin”, jotka ovat sidottuja sekä lateraalireunaan että keskiviivalle (Kuva. 2, ventral unfolded näkymät ja toinen puoli elokuvan S1). Kuten pallo, nämä lobulaariset ”kuplat” on suuri määrä luontainen kaarevuus ja ei voida edelleen paisutettu (tai litistetty) aiheuttamatta vakavia vääristymiä.
näin ollen pinnan tasoittamiseksi aiheuttamatta vakavaa paikallista aluevääristymää jokainen mediolateraalinen kupla leikattiin irti sen lateraalisista päistä anteriorilohkossa ja sekä lateraalisista että keskiviivasta takalohkossa (esim.crus I ja II). Ensimmäiset yritykset laskennallisesti unfurl leikkauspinta ilman edelleen subdividing se epäonnistui, koska paikalliset mittaukset, jotka ajavat flattening hukkuivat valtava koko mesh. Siksi verkko leikattiin neljään suureen ja kolmeen pienempään osaan, jotka kaikki litistettiin erikseen. Pikkuaivojen etuosa leikattiin kahdeksi suureksi palaksi ilman vasenta / oikeaa leikkausta (lobules I-V ja lobules V ja VI). At suuri ”superior posterior” halkeama anterior crus I, pinta oli jaettu vasemmalle ja oikealle puolikkaat (mukaan lukien crus I, horisontaalinen halkeama, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB, ja toissijainen halkeama); anteromedial lopussa kunkin näistä laastaria alkaa kaksi pientä paramedian alueilla, joissa valkoinen aine on alttiina (ei päällä folio). Lopuksi kaksi pienempää paraflocculia (”risat”; lohko IX), litistettiin erikseen, samoin kuin takimmaiset vermit alkaen kohdasta, jossa takimmaiset lohkot leikattiin oikeaksi ja vasemmaksi puolikkaaksi. Flocculi vaurioitui lievästi, mikä vaikeutti sen pinta-alan täydellistä palautumista.
leikkausten jälkeen pintapalat voitiin sitten litistää, mutta paikalliset areaalivääristymät jäivät vähäisiksi. Näin syntyi avautumaton pinta, joka laajeni huomattavasti anteroposteriorin suuntaan; se oli lähes 1 m pitkä, mutta vain noin 10 cm leveä. Lobule VII: n pinta-ala yhdessä lobule VIII: n kanssa oli lähes kaksinkertainen lobulien I-VI kokonaispinta-alaan verrattuna. aiemmissa lobuleissa (13) näillä kahdella alueella näyttää sen sijaan olevan suunnilleen yhtä suuret alueet, koska folian täydellinen toipuminen monimutkaisesti taitetuissa posteriorisissa pikkuaivoissa on vähäisempää.
lobulesin ja folian yksityiskohtaisen geometrian tutkiminen paljasti useita odottamattomia piirteitä. Kuten (unfolded) lobules lähestyi keskiviivaa, harjanne lobule joskus laskeutui halkeama vastakkaisella pallonpuoliskolla (Kuva. 4, suuret syaaninuolet). Lisäksi, vaikka folian pitkät akselit olivat joskus suunnilleen yhdensuuntaisia lobulin pitkän akselin kanssa, folian visualisoinnin tarkastus (Kuva. 2, folia / paikallinen kaarevuuskartta; Kuva. 4, pienet nuolet) näyttää monia alueita, joissa kahden välinen kulma on yhtä suuri kuin 45° (esim., lobule V). Kun nopeasti hakeminen kautta viipaleita, kävi ilmi, että yksittäiset folio usein kiertynyt syvältä halkeama harjanteeseen lobule ja sitten alas toisella puolella (kuva. 4, paksu katkoviivalla).
lobulien ja folioiden yksityiskohtainen geometria. Lobulaariset harjat muuttuvat joskus halkeamiksi keskiviivan poikki (paksut siniset/syaaninuolet). Folian akselit eivät useinkaan ole yhdensuuntaisia lobulaaristen akselien (pienten nuolten) kanssa. Dashed viiva (Alempi keskellä) hahmottelee yhden foliumin, joka spiraalit ylös syvyyksistä halkeama yli harjanteen lobule VI. vermis on merkitty ohut katkoviivoja. Alemmassa skannauksessa (kontrasti-Käänteinen pitkä-TE, T2*-painotettu) raesolu (vaaleanharmaa) ja molekyylikerrokset Tummanharmaa) voidaan erottaa valkoisesta aineesta (valkoinen).
rekonstruoimme myös pikkuaivojen pääytimien eli hammasytimien pinnat. Ennen avautumistaan nämä ytimet ovat likimääräisen muotoisia uurrettuja pitataskuja. Pinnat litistettiin käyttäen mediaalista relaksaatioleikkausta (Kuva. 2, pohja). Niiden ulkopinnoilta mitattu kokonaispinta-ala (Vasen ja oikea) oli 18,6 cm2; tähän eivät sisälly huomattavasti pienemmät interposed-ja fastigiaaliytimet. Näin saadaan pikkuaivokuoren ja pikkuaivojen ulostuloytimien areaalinen suhde, joka on >80:1.
saadaksemme kuvan siitä, miten neokorteksin ja pikkuaivojen pinta-ala on muuttunut kädellisten evoluutiossa, rekonstruoimme, mittasimme ja avasimme säilyneen makakiapinan aivojen neokortikaaliset ja pikkuaivot samanlaisin menetelmin (elokuva S2). Gadoliniumia sisältäneen makakiapinan aivot skannattiin normaalilla SALAMASEKVENSSILLÄ 4,7 T käyttäen isotrooppista 0,15-mm3 vokselia, kuten edellä on kuvattu (18). Rekonstruoitu ja paisutettu makaki apina pikkuaivot (450 K vertices) on esitetty alareunassa vasemmalla viikuna. 2 samassa mittakaavassa kuin ihmisen pikkuaivot. Makakiapinan pikkuaivojen piaalipinnan kutistumiskorjattu pinta-ala oli yhteensä 90 cm2. Määrä on jonkin verran suurempi kuin aiemmin on kerrottu . Vertailun vuoksi saman eläimen makakiapinan neokorteksin piaalipinnan kokonaispinta-ala oli 269 cm2. Makakiapinoilla pikkuaivoilla on siis vähintään 33% neokorteksin pinta-alasta, kun taas ihmisillä pikkuaivoilla on ∼78% neokorteksin pinta-alasta, mikä selittää, miksi ihmisen pikkuaivojen taittumisen monimutkaisuus on lisääntynyt niin dramaattisesti. Vaikka vokselin leveys oli apinakuvauksessa jonkin verran pienempi, apinalla folia on huomattavasti pienempi kuin ihmisellä, joten apinaaivojen pinta-ala-arviomme voi olla hieman liian pieni. Varmistimme kuitenkin, että kaikki Foliat saatiin talteen tarkastamalla pinnan leikkauskohta jokaisen viipaleen kanssa.