Résultats
Nous avons entrepris de reconstruire, de déplier et d’aplatir toute la surface cérébelleuse humaine jusqu’au niveau des folies individuelles pour mesurer quantitativement sa surface totale, mieux caractériser sa structure régionale et fournir une carte de base cérébelleuse humaine en pleine résolution. Bien que les neuroanatomistes aient depuis longtemps fait des reconstructions schématiques du cervelet, l’article phare de Sultan et Braitenberg (12) a fourni les premières reconstructions manuelles complètes des surfaces cérébelleuses d’humains et de nombreuses autres espèces en utilisant des méthodes stéréologiques basées sur des mesures à la règle de largeurs et de longueurs de folia sélectionnées effectuées sur des blocs de tissus d’échantillons. La première reconstruction détaillée par IRM basée sur la surface d’un cervelet humain vivant a utilisé des balayages répétés d’un seul sujet qui ont été pondérés pour le temps de relaxation longitudinale (T1), en utilisant des voxels de 1 mm de large à 1.5 T (13). Cependant, comme un folium ne mesure généralement que quelques mm de diamètre et que les folias sont si serrés les uns contre les autres, les effets de volume partiels ont rendu difficile leur résolution complète. Plus récemment, des scans 7-T avec des voxels légèrement plus petits ont été utilisés pour reconstruire les surfaces lobulaires de cerebella individuelle (14), mais des effets de volume partiels ont de nouveau empêché la récupération complète de toutes les foles. En tant que solution pragmatique pour l’affichage de données fonctionnelles et structurelles in vivo sur le cervelet, il est devenu pratique courante d’utiliser une surface qui capture la coque convexe moyenne du cervelet et résume les détails les plus fins au niveau des lobules et des foles (15, 16).
Pour fournir une reconstruction complète, quantitative et à haute résolution de l’ensemble de la surface corticale cérébelleuse humaine récupérant toutes les foles, nous avons scanné des spécimens cérébelleux conservés à 9,4 T avec des voxels isotropes de 0,19 mm de large beaucoup plus petits à deux temps d’écho (TEs) (Fig. 1): un TE court pour générer des images pondérées en densité de protons (PD) et un TE long pour les images pondérées par le temps de relaxation transverse (T2*). Nous avons combiné les images pour annuler les champs de réception de bobines inhomogènes, normalisé davantage le résultat en utilisant l’analyse des utilitaires de neuroimages fonctionnels (AFNI), l’avons inversé par contraste, puis étendu le logiciel de FreeSurfer original pour reconstruire, déplier et aplatir tout le cortex cérébelleux (annexe SI, texte supplémentaire). Notre estimation de la surface cérébelleuse totale était plus grande que toute estimation précédente, à 78% de la surface de l’ensemble du néocortex humain.
Pour déterminer la taille maximale de voxels capable de récupérer les caractéristiques du cortex cérébelleux humain jusqu’au niveau de folia individuel, l’ensemble de données tridimensionnelles (3D) final traité a été échantillonné à plusieurs reprises et reconstruit, puis les surfaces résultantes ont été comparées à la surface de la reconstruction de voxels native de 0,19 mm de large. Sous-échantillonnage à 0.Les voxels de 21 mm n’ont entraîné qu’une perte de surface de 1%, mais les voxels de 0,28 mm ont causé une perte de 14% et les voxels de 0,50 mm ont causé une perte de 50% (Annexe SI, Texte supplémentaire). Cela suggère qu’une récupération complète de la surface cérébelleuse humaine au niveau des folies individuelles nécessite des voxels presque aussi petits que ceux utilisés ici (150 vo par mm3), ce qui a entraîné une tessellation de surface dense avec près de 5 millions de sommets, 25 fois plus que dans un hémisphère cérébral de FreeSurfer typique. Les images de densité de protons ont été utilisées seules pour reconstruire séparément les noyaux dentés gauche et droit (car l’opération T2 */PD réduisait le contraste dans les noyaux dentés).
Pour faciliter la comparaison, les données de tranche d’entrée et les surfaces pliées, dépliées et aplaties (y compris le noyau dentelé droit) sont toutes illustrées à la même échelle à la Fig. 2. Chaque vue pliée, dépliée et aplatie est illustrée deux fois, une fois affichant la valeur au sommet de la convexité moyenne indiquant les différents lobules, puis à nouveau (immédiatement à droite/en dessous) affichant la courbure locale, ce qui visualise le pliage au niveau de la folia. Les taches de surface vertes indiquent les couronnes des lobules et les couronnes de la folia, respectivement. Le film S1 illustre dynamiquement comment les lobules apparaissent au fur et à mesure du déroulement.
Tranches cérébelleuses et surfaces cérébelleuses pliées, gonflées et aplaties, toutes à la même échelle. En commençant en haut à gauche, les images en tranches sont tessellées et la surface résultante a été dépliée, coupée (en haut à droite) et aplatie. Chaque surface est représentée deux fois, d’abord codée en couleurs par la convexité moyenne du FreeSurfer (« sulc », qui marque les lobules), puis par la courbure locale (« curv », qui marque des folies beaucoup plus petites). En bas à gauche, un cervelet de singe macaque est représenté à la même échelle.
La surface totale de la surface piale reconstruite du cortex cérébelleux (Fig. 3) était de 1 590 cm2 après correction du retrait induit par la fixation (Annexe SI, Texte supplémentaire). C’est beaucoup plus que n’importe quelle estimation précédente. À titre de comparaison, l’estimation précédente la plus importante était de 1 128 cm2 rapportée par Sultan et Braitenberg (12). Les estimations antérieures basées sur l’IRM à partir d’IRM in vivo étaient uniformément beaucoup plus petites parce que les folies individuelles n’étaient pas complètement résolues, comme l’ont noté les auteurs.
Reconstruction de la surface piale du cervelet humain en vue superopostérieure.
À titre de comparaison, la surface totale des surfaces piales externes des hémisphères cérébraux gauche et droit des sujets humains féminins (qui est 1,2 fois la « surface standard » du FreeSurfer mesurée sur la surface de la matière gris-blanc; Matériaux et méthodes) est de 2 038 ∼ cm2 (17). Cela signifie que la surface piale du cervelet humain est presque aussi grande que celle de l’ensemble du néocortex, même si le cervelet représente environ un huitième du volume du néocortex.
La plupart des études anatomiques du cervelet ont utilisé des dépliements et des aplatissements schématiques qui ne minimisent pas uniformément la distorsion locale de la surface. Il s’est avéré étonnamment difficile de déplier et d’aplatir la surface corticale cérébelleuse en utilisant des méthodes de préservation de la géométrie locale développées pour le néocortex, car le cervelet a plus de courbure gaussienne (intrinsèque) que le néocortex (13). Au début, cela peut sembler contre-intuitif, car les folies individuelles allongées ont une forme cylindrique (principalement une courbure extrinsèque) et devraient donc apparemment pouvoir être dépliées et aplaties avec peu de distorsion aréale / angulaire locale (comme dérouler un tapis de yoga). Cependant, les foles individuelles au niveau de la ligne médiane du cervelet (vermis) se divisent clairement en plusieurs foles lorsqu’elles se poursuivent dans les hémisphères cérébelleux. Sur les bords latéraux des hémisphères, ces foles semblent dans de nombreux cas fusionner à nouveau (Fig. 2, représentation plate de folia). Au cours du processus de gonflage de surface, cette géométrie complexe conduit à des « bulles » qui sont attachées à la fois au bord latéral et à la ligne médiane (Fig. 2, vues dépliées ventrales et seconde moitié du film S1). Comme une sphère, ces « bulles » lobulaires ont une grande courbure intrinsèque et ne peuvent plus être gonflées (ou aplaties) sans provoquer de distorsion sévère.
Par conséquent, pour aplatir la surface sans introduire de distorsion aréale locale sévère, chaque bulle médiolatérale a été découpée à ses extrémités latérales dans le lobe antérieur et à ses extrémités latérales et médiales dans le lobe postérieur (par exemple, crus I et II). Les premières tentatives de déploiement informatique de la surface coupée sans la subdiviser davantage ont échoué, car les mesures locales qui entraînent l’aplatissement ont été dépassées par la taille énorme du maillage. Par conséquent, le maillage a été coupé en quatre gros morceaux et trois petits morceaux qui ont tous été aplatis séparément. La partie antérieure du cervelet a été coupée en deux gros morceaux sans coupe gauche / droite (lobules I à V et lobules V et VI). Au niveau de la grande fissure « postérieure supérieure » antérieure aux crus I, la surface était divisée en moitiés gauche et droite (y compris les crus I, la fissure horizontale, les crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB et la fissure secondaire) ; l’extrémité antéromédiale de chacune de ces plaques commence à deux petites régions paramédiennes où la substance blanche est exposée (pas de folia sus-jacente). Enfin, les deux paraflocculi plus petits (les « amygdales »; lobe IX), ont été aplatis séparément, tout comme le vermis postérieur à partir du point où les lobes postérieurs ont été coupés en moitiés droite et gauche. De légers dommages aux floculi ont rendu difficile la récupération complète de la surface.
Après les coupes, les pièces de surface pourraient alors être aplaties tout en n’introduisant qu’une distorsion superficielle locale minimale. Cela a donné une surface dépliée qui a été considérablement étendue dans la direction antéropostérieure; elle mesurait près de 1 m de long, mais seulement environ 10 cm de large. La surface du lobule VII et du lobule VIII était presque le double de la surface totale des lobules I à VI. En revanche, lors des déploiements précédents (13), ces deux régions semblent avoir des surfaces à peu près égales en raison de la récupération moins complète des foles dans le cervelet postérieur complexé.
L’examen de la géométrie détaillée des lobules et des foles a révélé plusieurs caractéristiques inattendues. Lorsque les lobules (dépliés) s’approchaient de la ligne médiane, la crête d’un lobule descendait parfois dans une fissure dans l’hémisphère opposé (Fig. 4, grandes flèches cyan). De plus, bien que les grands axes de la folia soient parfois approximativement parallèles à l’axe long d’un lobule, une inspection de la visualisation de la folia (Fig. 2, folia / carte de courbure locale; Fig. 4, petites flèches) montre de nombreuses régions dans lesquelles l’angle entre les deux est aussi grand que 45° (par exemple, lobule V). En parcourant rapidement les tranches, il est devenu évident que les folies individuelles montaient souvent en spirale depuis les profondeurs d’une fissure jusqu’à la crête d’un lobule, puis de l’autre côté (Fig. 4, ligne pointillée épaisse).
Géométrie détaillée des lobules et des foles. Les crêtes lobulaires se transforment parfois en fissures à travers la ligne médiane (flèches bleues / cyanes épaisses). Les axes des foles ne sont souvent pas parallèles aux axes lobulaires (petites flèches). La ligne pointillée (Milieu inférieur) décrit un folium unique qui remonte en spirale des profondeurs d’une fissure au-dessus de la crête du lobule VI. Le vermis est indiqué par de fines lignes pointillées. Dans le balayage inférieur (long-TE inversé par contraste, pondéré T2 *), la cellule granulaire (gris clair) et les couches moléculaires gris foncé) peuvent être distinguées de la matière blanche (blanche).
Nous avons également reconstruit les surfaces des principaux noyaux de sortie du cervelet, les noyaux dentés. Avant de se déployer, ces noyaux ont la forme approximative de poches de pita côtelées. Les surfaces ont été aplaties à l’aide d’une coupe de relaxation médiale (Fig. 2, En bas). Leur surface totale (gauche et droite) mesurée le long de leurs surfaces externes était de 18,6 cm2; cela n’inclut pas les noyaux interposés et fastigiaux beaucoup plus petits. Cela donne un rapport aréolaire du cortex cérébelleux aux noyaux de sortie cérébelleux de > 80:1.
Pour fournir un aperçu de l’évolution de la surface du néocortex et du cervelet au cours de l’évolution des primates, nous avons reconstruit, mesuré et déplié les surfaces néocorticales et cérébelleuses d’un cerveau de singe macaque préservé en utilisant des méthodes similaires (Film S2). Un cerveau de singe macaque imbibé de gadolinium a été scanné avec une séquence FLASH standard à 4,7 T en utilisant des voxels isotropes de 0,15 mm3, comme décrit précédemment (18). Le cervelet de singe macaque reconstruit et gonflé (sommets de 450 K) est représenté en bas à gauche de la Fig. 2 à la même échelle que le cervelet humain. La surface totale corrigée du rétrécissement de la surface piale du cervelet de singe macaque était de 90 cm2. C’est un peu plus que ce qui a été signalé précédemment. À titre de comparaison, la surface totale de la surface piale du néocortex de singe macaque du même animal était de 269 cm2. Ainsi, chez les singes macaques, le cervelet a au moins 33% de la surface du néocortex, tandis que chez l’homme, le cervelet a778% de la surface du néocortex, ce qui explique pourquoi la complexité du repliement du cervelet humain a augmenté de manière spectaculaire. Bien que la largeur du voxel ait été un peu plus petite pour le balayage du singe, les folia chez le singe sont sensiblement plus petites que les folia chez l’homme, de sorte que notre estimation de la surface cérébelleuse du singe peut être légèrement trop faible. Néanmoins, nous avons vérifié que toutes les folies étaient récupérées en inspectant l’intersection de la surface avec chaque tranche.