eredmények
nekiláttunk rekonstruálni, kibontani és lelapítani a teljes emberi kisagy felületét az egyes fóliák szintjére, hogy mennyiségileg megmérjük a teljes felületét, jobban jellemezzük a regionális szerkezetét, és teljes felbontású emberi kisagy alaptérképet biztosítsunk. Bár a neuroanatomisták már régóta készítettek diagrammatikus rekonstrukciókat a kisagyról, Sultan és Braitenberg mérföldkőnek számító tanulmánya (12) szolgáltatta az emberek és sok más faj kisagyi felületének első teljes kézi rekonstrukcióját sztereotípusos módszerekkel, a kiválasztott folia szélességek és hosszúságok mintaszövetblokkokon végzett vonalzó mérésein alapulva. Az élő emberi kisagy első részletes felületi alapú számítási MRI rekonstrukciója egyetlen alany ismételt vizsgálatát alkalmazta, amelyeket hosszanti relaxációs időre (T1) súlyoztak, 1 mm széles voxeleket használva 1-nél.5 tonna (13). Mivel azonban a folium általában csak néhány mm átmérőjű, és mivel a folia annyira szorosan egymáshoz van csomagolva, a részleges térfogathatások megnehezítették azok teljes feloldását. Újabban 7-T szkennelést alkalmaztak valamivel kisebb voxelekkel az egyes cerebella lobularis felületeinek rekonstruálására (14), de a részleges térfogathatások ismét megakadályozták az összes folia teljes helyreállítását. Pragmatikus megoldásként a kisagy in vivo funkcionális és szerkezeti adatainak megjelenítésére bevett gyakorlattá vált egy olyan felület használata, amely rögzíti a kisagy átlagos domború héját, és kivonja a finomabb lobula – és folia-szintű részleteket (15, 16).
annak érdekében, hogy teljes, kvantitatív, nagy felbontású rekonstrukciót biztosítsunk a teljes emberi cerebelláris kérgi felületről, amely visszanyeri az összes foliát, a megőrzött cerebelláris mintákat 9,4 T-nél sokkal kisebb izotrop 0,19 mm széles voxelekkel szkenneltük két echo alkalommal (tes) (ábra. 1): egy rövid TE a proton sűrűség-súlyozott (PD) képek előállításához, és egy hosszú TE a transzverzális relaxációs idővel (T2*) súlyozott képekhez. Kombináltuk a képeket, hogy megszüntessük az inhomogén tekercsfogadási mezőket, tovább normalizáltuk az eredményt a funkcionális neuroimages (AFNI) segédprogramok elemzésével, kontraszt-megfordítottuk, majd kiterjesztettük az eredeti FreeSurfer szoftvert a teljes kisagykéreg rekonstruálására, kibontására és simítására (SI függelék, kiegészítő szöveg). Becslésünk a teljes cerebelláris felületről nagyobb volt, mint bármely korábbi becslés, a teljes emberi neocortex felületének 78% – án.
annak a maximális voxelméretnek a meghatározásához, amely képes az emberi kisagykéreg jellemzőinek helyreállítására az egyes folia szintjéig, a végső feldolgozott háromdimenziós (3D) adatkészletet ismételten lemintáztuk és újra rekonstruáltuk, majd a kapott felületeket összehasonlítottuk a natív 0,19 mm széles voxel rekonstrukció felületével. Mintavételezés 0-ra.A 21 mm-es voxelek csak 1% – os felületvesztést eredményeztek, de a 0,28 mm-es voxelek 14%-os, a 0,50 mm-es voxelek pedig 50% – os veszteséget okoztak (SI függelék, kiegészítő szöveg). Ez arra utal, hogy az emberi cerebelláris felület teljes helyreállítása az egyes foliák szintjére majdnem olyan kicsi voxeleket igényel, mint az itt használt (650 Voxel / mm3), ami sűrű felületi tessellációt eredményezett, közel 5 millió csúcsmal, 25-ször több, mint egy tipikus FreeSurfer agyféltekében. A proton denzitású képeket önmagukban használták a bal és a jobb dentate magok külön rekonstruálására (mivel a T2*/PD művelet csökkentette a kontrasztot a dentate magokban).
az összehasonlítás megkönnyítése érdekében a bevitt szeletadatokat és a hajtogatott, kibontott és lapított felületeket (beleértve a jobb fogazott magot is) az ábrán azonos skálán mutatjuk be. 2. Minden hajtogatott, kibontott és lapított nézetet kétszer ábrázolunk, egyszer megjelenítve az átlagos konvexitás csúcsértékét, jelezve a különböző lobulákat, majd ismét (közvetlenül jobbra/lent) megjelenítve a helyi görbületet, amely a hajtogatást a folia szintjén jeleníti meg. A zöld felületi foltok a lobulák koronáit, illetve a folia koronáit jelzik. Az S1 film dinamikusan szemlélteti, hogy a lebenyek hogyan jelennek meg a kibontakozás során.
kisagyi szeletek és hajtogatott, felfújt, lapított kisagyi felületek, mind azonos méretarányban. Kezdve a bal felső, szelet képeket tessellated és a kapott felületet kibontotta, vágott (jobb felső), és lapított. Mindegyik felületet kétszer mutatjuk be, először színkóddal FreeSurfer átlagos konvexitás (“sulc”, amely lobulákat jelöl), majd helyi görbület (“curv”, amely sokkal kisebb foliát jelöl). A bal alsó sarokban egy makákó majom kisagy látható ugyanabban a skálán.
a kisagykéreg rekonstruált piális felületének teljes területe (ábra. 3) 1590 cm2 volt a rögzítés által kiváltott zsugorodás korrekciója után (SI függelék, kiegészítő szöveg). Ez lényegesen nagyobb, mint bármely korábbi becslés. Összehasonlításképpen, a legnagyobb korábbi becslés 1128 cm2 volt, amelyet Sultan és Braitenberg jelentett (12). Az in vivo MRI vizsgálatokból származó korábbi MRI-alapú becslések egységesen sokkal kisebbek voltak, mivel az egyes foliák nem voltak teljesen megoldva, amint azt a szerzők megjegyezték .
az emberi kisagy piális felületének rekonstrukciója superoposterior nézetben.
összehasonlításképpen, a női emberi alanyok bal és jobb agyféltekéjének külső, piális felületeinek teljes területe (ami 1,2-szerese a szürke-fehér anyag felületén mért FreeSurfer “standard területnek”; anyagok és módszerek) 2038 cm2 (17). Ez azt jelenti, hogy az emberi kisagy piális felülete majdnem akkora, mint az egész neocortexé, annak ellenére, hogy a kisagy nagyjából nyolcada a neocortex térfogatának.
a kisagy legtöbb anatómiai vizsgálata olyan diagrammatikus kibontásokat és simításokat használt, amelyek nem egységesen minimalizálják a helyi felület torzulását. Meglepően nehéznek bizonyult a kisagy kérgi felületének kibontása és simítása a neocortex számára kifejlesztett helyi geometria-megőrző módszerekkel, mivel a kisagynak nagyobb a Gauss (belső) görbülete, mint a neocortexnek (13). Eleinte ez ellentmondásosnak tűnhet, mivel a hosszúkás egyedi folia hengeres alakú (többnyire külső görbületű), ezért látszólag képesnek kell lennie arra, hogy Kis Helyi areális/szögletes torzulással (például egy jógaszőnyeg kibontásával) kibontsa és ellapítsa. A kisagy középvonalának (vermis) szintjén azonban az egyes foliák egyértelműen több foliára oszlanak, amikor a kisagyi félgömbökbe kerülnek. A félgömbök oldalsó szélein ezek a fóliák sok esetben újra összeolvadnak (ábra. 2, lapos ábrázolása folia). A felületi felfújási folyamat során ez az összetett geometria “buborékokhoz” vezet, amelyek mind az oldalsó élnél, mind a középvonalnál le vannak kötve (ábra. 2, ventrális kibontott nézetek második felében a film S1). Mint egy gömb, ezek a lobuláris “buborékok” nagy mennyiségű belső görbülettel rendelkeznek, és nem lehet tovább felfújni (vagy lapítani) anélkül, hogy súlyos torzulást okoznának.
ezért a felület simításához anélkül, hogy súlyos helyi területi torzulást okozna, mindegyik mediolaterális buborékot az elülső lebeny oldalsó végein, valamint a hátsó lebeny oldalsó és középvonali végein (pl. A vágott felület számítási bontásának kezdeti kísérletei további felosztás nélkül sikertelenek voltak, mert a lapítást hajtó helyi méréseket elárasztotta a háló hatalmas mérete. Ezért a hálót négy nagy darabra és három kisebb darabra vágták, amelyeket külön-külön lapítottak. A kisagy elülső részét két nagy darabra vágtuk bal/jobb vágás nélkül (i-V lobulák, V és VI lobulák). A crus I előtti nagy “superior posterior” hasadéknál a felületet bal és jobb részre osztották (beleértve a Crus I-t, a vízszintes hasadékot, a crus II-t, a VIIB-t, a VIIIA-t, a VIIIB-t és a másodlagos hasadékot); ezeknek a foltoknak az anteromedialis vége két kis paramedián régióban kezdődik, ahol a fehér Anyag ki van téve (nincs fedő folia). Végül a két kisebb paraflocculi (a “mandulák”; lebeny IX), külön lapítottak, csakúgy, mint a hátsó vermis, attól a ponttól kezdve, ahol a hátsó lebenyeket jobb és bal felére vágták. A flocculi enyhe károsodása megnehezítette az ottani felület teljes helyreállítását.
a vágások után a felületi darabokat ezután le lehetett lapítani, miközben csak minimális helyi területi torzítást vezettek be. Ez egy kibontott felületet eredményezett, amely anteroposterior irányban nagymértékben meghosszabbodott; majdnem 1 m hosszú volt, de csak nagyjából 10 cm széles. A lobule VII felülete a lobule VIII-val együtt majdnem kétszerese volt az I-VI lobulák teljes területének. ezzel szemben a korábbi kibontásokban (13) úgy tűnik, hogy ez a két régió megközelítőleg azonos területekkel rendelkezik, mivel a folia kevésbé teljes helyreáll a komplexen hajtogatott hátsó kisagyban.
a lobulák és a fóliák részletes geometriájának vizsgálata számos váratlan tulajdonságot tárt fel. Ahogy a (kibontott) lobulák közeledtek a középvonalhoz, a lobula címere néha a szemközti féltekén lévő hasadékba ereszkedett (ábra. 4, nagy Cián nyilak). Ezen túlmenően, bár a folia hosszú tengelyei néha megközelítőleg párhuzamosak voltak a lobula hosszú tengelyével, a folia vizualizáció ellenőrzése (ábra. 2, folia / helyi görbületi térkép; ábra. 4, kis nyilak) sok olyan régiót mutat, amelyekben a kettő közötti szög akár 45 is lehet (például lobule V). Miközben gyorsan lapozgatta a szeleteket, nyilvánvalóvá vált, hogy az egyes fóliák gyakran felfelé spiráloztak a hasadék mélyéről a lobula címeréig, majd a másik oldalon lefelé (ábra. 4, vastag szaggatott vonal).
a lobulák és a fóliák részletes geometriája. A lobuláris címerek néha repedésekké válnak a középvonalon (vastag Kék/Cián nyilak). A folia tengelyei gyakran nem párhuzamosak a lobuláris tengelyekkel (kis nyilak). A szaggatott vonal (alsó középső) egyetlen foliumot vázol fel, amely spirálisan felfelé halad a repedés mélységéből a lobule vi. a vermist vékony szaggatott vonalak jelzik. Az alsó letapogatásnál (kontraszt-fordított long-TE, T2*-súlyozott) a szemcsesejt (világosszürke) és a molekuláris rétegek sötétszürke) megkülönböztethető a fehér anyagtól (fehér).
rekonstruáltuk a kisagy fő kimeneti magjainak, a fogazott magoknak a felületét is. A kibontakozás előtt ezeknek a magoknak a bordázott pita zsebek hozzávetőleges alakja van. A felületeket mediális relaxációs vágással lapítottuk (ábra. 2, alsó). A külső felületük mentén mért teljes felületük (bal és jobb) 18,6 cm2 volt; ez nem tartalmazza a sokkal kisebb interposed és fastigialis magokat. Ez a cerebelláris kéreg areális arányát adja a cerebelláris kimeneti magokhoz >80:1.
annak érdekében, hogy képet kapjunk arról, hogyan változott a neocortex és a kisagy felülete a főemlősök evolúciójában, hasonló módszerekkel rekonstruáltuk, megmértük és kibontottuk egy megőrzött makákó majom agyának neokortikális és kisagyi felületét (S2 film). Egy gadolíniummal átitatott makákó majom agyát standard vaku szekvenciával 4,7 T-nél vizsgáltuk izotróp 0,15-mm3 voxelekkel, a korábban leírtak szerint (18). A rekonstruált és felfújt makákó majom kisagy (450 K csúcsok) látható a bal alsó ábra. 2 ugyanolyan skálán, mint az emberi kisagy. A makákó majom kisagy piális felületének teljes zsugorodással korrigált felülete 90 cm2 volt. Ez valamivel nagyobb, mint amiről korábban beszámoltak . Összehasonlításképpen, a makákó majom neocortex pial felületének teljes felülete ugyanabból az állatból 269 cm2 volt. Így a makákó majmokban a kisagy a neocortex felületének legalább 33% – ával rendelkezik, míg az emberekben a kisagy a neocortex felületének 78% – ával rendelkezik, ami megmagyarázza, hogy az emberi kisagy hajtogatásának bonyolultsága miért nőtt olyan drámai módon. Bár a voxel szélessége valamivel kisebb volt a majom letapogatásához, a majom folia lényegesen kisebb, mint az emberek folia, így a majom kisagyi felületének becslése kissé túl alacsony lehet. Ennek ellenére ellenőriztük, hogy az összes fóliát visszanyertük-e, megvizsgálva a felület metszéspontját az egyes szeletekkel.