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cerchiamo di ricostruire, aprire e appiattire l’intera cerebellare umana superficie fino al livello dei singoli folia per misurare quantitativamente la sua superficie totale, meglio caratterizzare la sua struttura regionale, e di fornire una completa risoluzione del cervelletto umani mappa di base. Sebbene i neuroanatomisti abbiano a lungo realizzato ricostruzioni diagrammatiche del cervelletto, il documento di riferimento di Sultan e Braitenberg (12) ha fornito le prime ricostruzioni manuali complete delle superfici cerebellari degli esseri umani e di molte altre specie utilizzando metodi stereologici basati su misurazioni di righello di larghezze e lunghezze di folia selezionate fatte su blocchi di tessuto campione. La prima dettagliata ricostruzione MRI computazionale basata sulla superficie di un cervelletto umano vivente ha utilizzato scansioni ripetute di un singolo soggetto che sono state ponderate per il tempo di rilassamento longitudinale (T1), utilizzando voxel larghi 1 mm a 1.5 T (13). Tuttavia, dal momento che un folium è in genere solo pochi mm di diametro, e perché folia sono così strettamente imballati uno contro l’altro, effetti di volume parziale reso difficile risolverli completamente. Più recentemente, le scansioni 7-T con voxel leggermente più piccoli sono state utilizzate per ricostruire le superfici lobulari del singolo cerebella (14), ma gli effetti parziali del volume hanno nuovamente impedito il recupero completo di tutti i folia. Come soluzione pragmatica per la visualizzazione di dati funzionali e strutturali in vivo sul cervelletto, è diventata pratica comune utilizzare una superficie che cattura lo scafo convesso medio del cervelletto e astrae i dettagli a livello di lobulo e folia più fini (15, 16).
Per fornire una ricostruzione completa, quantitativa e ad alta risoluzione dell’intera superficie corticale cerebellare umana recuperando tutte le folie, abbiamo scansionato campioni cerebellari conservati a 9,4 T con voxel isotropi molto più piccoli di 0,19 mm di larghezza a due tempi di eco (TEs) (Fig. 1): un TE breve per generare immagini ponderate per densità di protoni (PD) e un TE lungo per immagini ponderate per tempo di rilassamento trasversale (T2*). Abbiamo combinato le immagini per annullare campi di ricezione bobina disomogenei, ulteriormente normalizzato il risultato utilizzando l’analisi delle utilità funzionali neuroimages (AFNI), contrasto invertito esso, e poi esteso il software originale FreeSurfer per ricostruire, dispiegare, e appiattire l’intera corteccia cerebellare (SI Appendice, Testo supplementare). La nostra stima della superficie cerebellare totale era più grande di qualsiasi stima precedente, al 78% della superficie dell’intera neocorteccia umana.
Per determinare la dimensione massima del voxel in grado di recuperare le caratteristiche della corteccia cerebellare umana fino al livello delle singole folie, il set di dati tridimensionale (3D) elaborato finale è stato ripetutamente down-sampled ed è stato ri-ricostruito, e quindi le aree superficiali risultanti sono state confrontate con l’area superficiale della ricostruzione voxel nativa larga 0,19 mm. Downsampling a 0.i voxel da 21 mm hanno causato solo una perdita dell ‘ 1% di superficie, ma i voxel da 0,28 mm hanno causato una perdita del 14% e i voxel da 0,50 mm hanno causato una perdita del 50% (Appendice SI, Testo supplementare). Ciò suggerisce che un recupero completo della superficie cerebellare umana a livello di folia individuale richiede voxel quasi piccoli come quelli usati qui (vo 150 voxel per mm3), che ha portato ad una tessellation superficie densa con quasi 5 milioni di vertici, 25 volte più che in un tipico emisfero cerebrale FreeSurfer. Le immagini a densità protonica sono state utilizzate da sole per ricostruire separatamente i nuclei dentati sinistro e destro (perché l’operazione T2*/PD ha ridotto il contrasto nei nuclei dentati).
Per facilitare il confronto, i dati della fetta di input e le superfici piegate, spiegate e appiattite (incluso il nucleo dentato destro) sono tutti illustrati alla stessa scala in Fig. 2. Ogni vista piegata, spiegata e appiattita viene illustrata due volte, una volta visualizzando il valore verticale della convessità media che indica i diversi lobuli e poi di nuovo (immediatamente a destra/sotto) visualizzando la curvatura locale, che visualizza la piegatura a livello di folia. Le macchie di superficie verdi indicano rispettivamente le corone dei lobuli e le corone della folia. Il filmato S1 illustra dinamicamente come i lobuli vengono visualizzati mentre si dispiegano i proventi.
Fette cerebellari e superfici cerebellari piegate, gonfiate, appiattite, tutte alla stessa scala. A partire in alto a sinistra, le immagini slice sono tessellate e la superficie risultante è stata dispiegata, tagliata (in alto a destra) e appiattita. Ogni superficie è mostrata due volte, prima codificata a colori dalla convessità media di FreeSurfer (“sulc”, che segna i lobuli) e poi dalla curvatura locale (“curv”, che segna folia molto più piccola). In basso a sinistra, un macaco scimmia cervelletto è mostrato alla stessa scala.
L’area totale della superficie piale ricostruita della corteccia cerebellare (Fig. 3) era 1.590 cm2 dopo la correzione per il restringimento indotto dalla fissazione (Appendice SI, testo supplementare). Questo è considerevolmente più grande di qualsiasi stima precedente. Per confronto, la più grande stima precedente era di 1.128 cm2 riportata da Sultan e Braitenberg (12). Le precedenti stime basate sulla risonanza magnetica da scansioni MRI in vivo erano uniformemente molto più piccole perché le singole folie non erano completamente risolte, come notato dagli autori .
Ricostruzione della superficie piale del cervelletto umano in vista superoposteriore.
Per confronto, l’area totale delle superfici piali esterne degli emisferi cerebrali sinistro più destro di soggetti umani femminili (che è 1,2 volte la “area standard” di FreeSurfer misurata sulla superficie della materia grigio-bianca; Materiali e metodi) è ∼2.038 cm2 (17). Ciò significa che la superficie piale del cervelletto umano è grande quasi quanto quella dell’intera neocorteccia, anche se il cervelletto è circa un ottavo del volume della neocorteccia.
La maggior parte degli studi anatomici del cervelletto hanno utilizzato dispiegamenti e appiattimenti diagrammatici che non minimizzano uniformemente la distorsione superficiale locale. Si è rivelato sorprendentemente difficile spiegare e appiattire la superficie corticale cerebellare usando metodi di conservazione della geometria locale sviluppati per la neocorteccia, perché il cervelletto ha una curvatura più gaussiana (intrinseca) rispetto alla neocorteccia (13). All’inizio, questo potrebbe sembrare controintuitivo, perché la folia individuale allungata ha una forma cilindrica (per lo più curvatura estrinseca) e quindi dovrebbe apparentemente essere in grado di essere dispiegata e appiattita con poca distorsione areale/angolare locale (come srotolare un tappetino da yoga). Tuttavia, le singole folie a livello della linea mediana del cervelletto (vermis) si dividono chiaramente in più folie quando continuano negli emisferi cerebellari. Ai bordi laterali degli emisferi, queste folie appaiono in molti casi per fondersi di nuovo (Fig. 2, rappresentazione piana di folia). Durante il processo di gonfiaggio superficiale, questa geometria complessa porta a “bolle”che sono legate sia al bordo laterale che alla linea mediana (Fig. 2, vista spiegata ventrale e seconda metà del film S1). Come una sfera, queste “bolle” lobulari hanno una grande quantità di curvatura intrinseca e non possono essere ulteriormente gonfiate (o appiattite) senza causare gravi distorsioni.
Pertanto, per appiattire la superficie senza introdurre una grave distorsione areale locale, ogni bolla mediolaterale è stata allentata alle sue estremità laterali nel lobo anteriore e alle estremità laterali e medie nel lobo posteriore (ad esempio, crus I e II). I tentativi iniziali di spiegare computazionalmente la superficie di taglio senza suddividerla ulteriormente non hanno avuto successo, perché le misurazioni locali che guidano l’appiattimento sono state sopraffatte dall’enorme dimensione della mesh. Pertanto, la rete è stata tagliata in quattro pezzi grandi e tre pezzi più piccoli che sono stati tutti appiattiti separatamente. La parte anteriore del cervelletto è stata tagliata in due pezzi grandi senza un taglio sinistro/destro (lobuli da I a V e lobuli V e VI). Alla grande fessura “posteriore superiore” anteriore a crus I, la superficie era divisa in metà sinistra e destra (inclusi crus I, la fessura orizzontale, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB e la fessura secondaria); l’estremità anteromediale di ciascuna di queste macchie inizia in due piccole regioni paramediane in cui la sostanza bianca è esposta (nessuna folia sovrastante). Infine, i due paraflocculi più piccoli (le”tonsille”; lobo IX), sono stati appiattiti separatamente, come è stato il vermis posteriore a partire dal punto in cui i lobi posteriori sono stati tagliati a metà destra e sinistra. Un leggero danno ai flocculi ha reso difficile il pieno recupero della superficie.
Dopo i tagli, i pezzi di superficie potrebbero quindi essere appiattiti introducendo solo una minima distorsione areale locale. Ciò ha provocato una superficie spiegata che è stata notevolmente estesa nella direzione antero-posteriore; era lunga quasi 1 m, ma larga solo circa 10 cm. L’area superficiale del lobulo VII insieme al lobulo VIII era quasi il doppio dell’area totale dei lobuli da I a VI. Al contrario, nei precedenti sviluppi (13), queste due regioni sembrano avere aree approssimativamente uguali a causa del recupero meno completo della folia nel cervelletto posteriore piegato in modo complesso.
L’esame della geometria dettagliata dei lobuli e delle folie ha rivelato diverse caratteristiche inaspettate. Mentre i lobuli (spiegati) si avvicinavano alla linea mediana, la cresta di un lobulo a volte scendeva in una fessura nell’emisfero opposto (Fig. 4, grandi frecce ciano). Inoltre, sebbene i lunghi assi della folia fossero talvolta approssimativamente paralleli all’asse lungo di un lobulo, un’ispezione della visualizzazione della folia (Fig. 2, folia/curvatura locale mappa; Fig. 4, piccole frecce) mostra molte regioni in cui l’angolo tra i due è grande come 45° (ad esempio, lobulo V). Mentre rapidamente paging attraverso fette, è diventato evidente che folia individuale spesso a spirale dal profondo di una fessura per la cresta di un lobulo e poi verso il basso l’altro lato (Fig. 4, linea tratteggiata spessa).
Geometria dettagliata di lobuli e folie. Le creste lobulari a volte si trasformano in fessure attraverso la linea mediana (spesse frecce blu/ciano). Gli assi di folia spesso non sono paralleli agli assi lobulari (piccole frecce). La linea tratteggiata (Centro inferiore) delinea un singolo folium che si eleva dalle profondità di una fessura sopra la cresta del lobulo VI. Il vermis è indicato da sottili linee tratteggiate. Nella scansione inferiore (contrasto invertito long-TE, T2 * ponderato), la cellula granulare (grigio chiaro) e gli strati molecolari grigio scuro) possono essere distinti dalla sostanza bianca (bianca).
Abbiamo anche ricostruito le superfici dei principali nuclei di uscita del cervelletto, i nuclei dentati. Prima di dispiegarsi, questi nuclei hanno la forma approssimativa di tasche di pita a coste. Le superfici sono state appiattite utilizzando un taglio di rilassamento mediale (Fig. 2, in basso). La loro superficie totale (sinistra e destra) misurata lungo le loro superfici esterne era di 18,6 cm2; questo non include i nuclei interposti e fastigiali molto più piccoli. Questo dà un rapporto areale della corteccia cerebellare ai nuclei di uscita cerebellare di >80:1.
Per fornire un’istantanea di come la superficie della neocorteccia e del cervelletto sono cambiati nell’evoluzione dei primati, abbiamo ricostruito, misurato e spiegato le superfici neocorticali e cerebellari di un cervello di scimmia macaco conservato usando metodi simili (Film S2). Un cervello di scimmia macaco imbevuto di gadolinio è stato scansionato con una sequenza FLASH standard a 4,7 T utilizzando voxel isotropi 0,15-mm3, come descritto in precedenza (18). Il cervelletto di scimmia macaco ricostruito e gonfiato (450 K vertici) è mostrato in basso a sinistra di Fig. 2 alla stessa scala del cervelletto umano. La superficie totale corretta dal restringimento della superficie piale del cervelletto della scimmia macaco era di 90 cm2. Questo è un po ‘ più grande di quanto è stato riportato in precedenza . Per confronto, la superficie totale della superficie piale della neocorteccia macaco scimmia dello stesso animale era di 269 cm2. Così, nella scimmie macaco, il cervelletto ha almeno il 33% della superficie della neocorteccia, mentre negli esseri umani, il cervelletto ha ∼78% della superficie della neocorteccia, il che spiega perché la complessità di piegatura del cervelletto umano è aumentato drammaticamente. Sebbene la larghezza del voxel fosse un po ‘ più piccola per la scansione della scimmia, le folie nella scimmia sono sostanzialmente più piccole delle folie negli esseri umani, quindi la nostra stima della superficie cerebellare della scimmia potrebbe essere leggermente troppo bassa. Tuttavia, abbiamo verificato che tutti i folia sono stati recuperati ispezionando l’intersezione della superficie con ogni fetta.