Resultater
Vi satte oss for å rekonstruere, utfolde Og flate hele den menneskelige cerebellaroverflaten ned til nivået av individuelle folia for å kvantitativt måle sitt totale overflateareal, bedre karakterisere sin regionale struktur, og gi et fulloppløselig humant cerebellarbasekart. Selv om nevroanatomister lenge har gjort diagrammatiske rekonstruksjoner av cerebellum, ga landemerkepapiret Av Sultan Og Braitenberg (12) de første komplette manuelle rekonstruksjonene av cerebellarflatene til mennesker og mange andre arter ved hjelp av stereologiske metoder basert på linjemålinger av utvalgte foliabredder og lengder laget på prøvevevsblokker. Den første detaljerte overflatebaserte beregningsmessige MR-rekonstruksjonen av et levende humant cerebellum brukte gjentatte skanninger av et enkelt emne som ble vektet for langsgående avslapningstid (T1), ved bruk av 1 mm brede voxeler ved 1.5 T (13). Men siden en folium er vanligvis bare noen få mm over, og fordi folia er så tett pakket mot hverandre, partielle volumeffekter gjorde det vanskelig å løse dem fullt ut. Mer nylig ble 7-T-skanninger med litt mindre voxeler brukt til å rekonstruere de lobulære overflatene av individuell cerebella (14), men partielle volumeffekter forhindret igjen fullstendig gjenoppretting av all folia. Som en pragmatisk løsning for visning av in vivo funksjonelle og strukturelle data på cerebellum, har det blitt vanlig å bruke en overflate som fanger det gjennomsnittlige konvekse skroget av cerebellum og abstrakter over de finere lobule – og folia-nivå detaljer (15, 16).
For å gi en komplett, kvantitativ, høyoppløselig rekonstruksjon av hele den menneskelige cerebellar kortikale overflaten som gjenoppretter all folia, skannet vi konserverte cerebellarprøver på 9,4 T med mye mindre isotrope 0,19 mm brede voxeler ved to ekkotider (Tes) (Fig. 1): en kort TE for å generere protontetthetsvektet (PD) bilder og en lang TE for bilder vektet av transversal avslapningstid (T2*). Vi kombinerte bildene for å avbryte inhomogene coil motta felt, videre normalisert resultatet ved hjelp av analyse av funksjonelle neuroimages (AFNI) verktøy, kontrast-invertert det, og deretter utvidet den opprinnelige FreeSurfer programvare for å rekonstruere, utfolde seg, og flate hele lillehjernen cortex (Si Vedlegg, Supplerende Tekst). Vårt estimat av det totale cerebellare overflatearealet var større enn noe tidligere estimat, ved 78% av overflaten av hele menneskets neokorteks.
for å bestemme den maksimale voxelstørrelsen som er i stand til å gjenopprette egenskapene til den menneskelige cerebellar cortex ned til nivået av individuelle folia, ble det endelige behandlede tredimensjonale (3D) datasettet gjentatte ganger nedprøvet og ble rekonstruert, og deretter ble de resulterende overflatearealene sammenlignet med overflaten av den innfødte 0,19 mm brede voxelrekonstruksjonen. Reduksjon til 0.21 mm voxels resulterte i bare 1% tap av overflateareal, men 0,28 mm voxels forårsaket et 14% tap, og 0,50 mm voxels forårsaket et 50% tap (Si Vedlegg, Supplementstekst). Dette antyder at en full gjenoppretting av den menneskelige cerebellaroverflaten til nivået av individuelle folia krever voxeler nesten like små som de som brukes her (∼150 voxeler per mm3), noe som resulterte i en tett overflatetessellasjon med nesten 5 millioner hjørner, 25 ganger mer enn i en typisk FreeSurfer cerebral halvkule. Protondensitetsbildene ble brukt av seg selv for å rekonstruere venstre og høyre dentatkjerner separat (fordi T2* / PD-operasjonen reduserte kontrasten i dentatkjernene).
for enkel sammenligning, er input slice data og brettet, utfoldet, og flate overflater (inkludert høyre dentate kjernen) alle illustrert på samme skala I Fig. 2. Hver foldet, utfoldet og flatt visning er illustrert to ganger, en gang viser vertexwise-verdien av gjennomsnittlig konveksitet som indikerer de forskjellige lobules og deretter igjen (umiddelbart til høyre/under) viser den lokale krumningen, som visualiserer foldingen på nivået av folia. Grønne overflateplaster indikerer kronene av lobules og kronene til foliaen, henholdsvis. Movie S1 illustrerer dynamisk hvordan lobules kommer til syne som utfolder inntektene.
Lillehjernen skiver og brettet, oppblåst, flat cerebellar overflater, alle på samme skala. Starter I Øvre Venstre, skive bilder er tessellated og den resulterende overflaten ble utfoldet, kuttet (Øverst Til Høyre), og flat. Hver overflate er vist to ganger, først fargekodet Av FreeSurfer gjennomsnittlig konveksitet («sulc», som markerer lobules) og deretter ved lokal krumning («curv», som markerer mye mindre folia). Nederst Til Venstre vises en macaque ape cerebellum i samme skala.
det totale arealet av den rekonstruerte pialoverflaten av cerebellar cortex (Fig. 3) var 1,590 cm2 etter korrigering for fikseringsindusert krymping(Si Vedlegg, Tilleggstekst). Dette er betydelig større enn noe tidligere estimat. Til sammenligning var det største tidligere estimatet 1.128 cm2 rapportert Av Sultan Og Braitenberg (12). Tidligere MR – baserte estimater fra IN vivo MR-skanninger var jevnt mye mindre fordi individuelle folia ikke var helt løst, som nevnt av forfatterne .
Rekonstruksjon av pial overflaten av human cerebellum i superoposterior visning.
til sammenligning er det totale arealet av de ytre, pialflatene på venstre pluss høyre hjernehalvdel av kvinnelige mennesker (som er 1,2 ganger FreeSurfer «standardområdet» målt på den gråhvite materieoverflaten; Materialer Og Metoder) ∼2,038 cm2 (17). Dette betyr at pialoverflaten til den menneskelige cerebellum er nesten like stor som for hele neocortex, selv om cerebellum er omtrent en åttende volumet av neocortex.
de fleste anatomiske studier av cerebellum har brukt diagrammatiske utfoldelser og flatninger som ikke jevnt minimerer lokal overflateforvrengning. Det viste seg å være overraskende vanskelig å utfolde og flate den cerebellære kortikale overflaten ved hjelp av lokale geometribevarende metoder utviklet for neocortex, fordi cerebellum har mer Gaussisk (inneboende) krumning enn neocortex (13). I begynnelsen kan dette virke counterintuitive, fordi den langstrakte individuelle folien har en sylindrisk form (for det meste ekstrinsisk krumning) og dermed tilsynelatende skal kunne utfoldes og flates ut med liten lokal areal/vinkelforvrengning (som å rulle ut en yogamatte). Imidlertid deles individuelle folia på nivået av cerebellumets midterlinje (vermis) tydelig opp i flere folia når de fortsetter i cerebellar hemisfærene. På halvkuglens sidekanter ser disse foliene i mange tilfeller ut til å smelte igjen (Fig . 2, flat representasjon av folia). Under overflateinflasjonsprosessen fører denne komplekse geometrien til «bobler»som er bundet ned på både sidekanten og midtlinjen (Fig. 2, ventral utfoldet utsikt og andre halvdel Av Film S1). Som en sfære har disse lobulære «boblene» en stor mengde iboende krumning og kan ikke oppblåses (eller flates) uten å forårsake alvorlig forvrengning.
derfor, for å flate overflaten uten å innføre alvorlig lokal arealforvrengning, ble hver mediolateral boble kuttet løs ved sine laterale ender i den fremre lobe og ved både laterale og midterste ender i den bakre lobe(f. eks. crus i og II). Innledende forsøk på å beregningsmessig unfurl kuttet overflaten uten ytterligere å dele det var mislykket, fordi de lokale målingene som driver utflating ble overveldet av den enorme størrelsen på mesh. Derfor ble masken kuttet i fire store stykker og tre mindre stykker som alle ble flatt separat. Den fremre delen av cerebellum ble kuttet i to store stykker uten venstre / høyre kutt(lobules i Til V og lobules V Og VI). Ved den store «overlegne bakre» sprekken foran crus i ble overflaten delt inn i venstre og høyre halvdel (inkludert crus I, den horisontale sprekken, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB og den sekundære sprekken); den anteromediale enden av hver av disse flekkene begynner på to små paramediske regioner hvor den hvite substansen er eksponert (ingen overliggende folia). Til slutt, de to mindre paraflocculi («mandlene»; lobe IX), ble flatet separat, som var den bakre vermis som startet fra det punktet hvor de bakre lobene ble kuttet i høyre og venstre halvdeler. Liten skade på flocculi gjort full gjenoppretting av areal det vanskelig.
etter kuttene kunne overflatebitene da bli flatt mens de bare introduserte minimal lokal arealforvrengning. Dette resulterte i en utfoldet overflate som ble sterkt utvidet i anteroposterior retning; det var nesten 1 m lang, men bare omtrent 10 cm bred. Overflatearealet av lobule VII sammen med lobule VIII var nesten dobbelt så stort som det totale arealet av lobules I TIL VI. i kontrast, i tidligere utfoldinger (13), synes disse to områdene å ha omtrent like store områder på grunn av den mindre komplette utvinningen av folia i det kompleksfoldede bakre cerebellumet.
Undersøkelse av detaljert geometri av lobules og folia avdekket flere uventede funksjoner. Som (utfoldet) lobules nærmet midtlinjen, toppen av en lobule noen ganger ned i en sprekk i motsatt halvkule (Fig. 4, store cyan piler). I tillegg, selv om de lange aksene av folia var noen ganger omtrent parallelt med den lange aksen av en lobule, en inspeksjon av folia visualisering (Fig. 2, folia / lokal krumning kart; Fig. 4, små piler) viser mange regioner der vinkelen mellom de to er så stor som 45° (f. eks. Mens raskt bla gjennom skiver, ble det klart at enkelte folia ofte spiral opp fra dypt i en sprekk til toppen av en lobule og deretter ned den andre siden (Fig. 4, tykk stiplet linje).
Detaljert geometri av lobules og folia. Lobulære kamper blir noen ganger sprekker over midtlinjen (tykke blå/cyan piler). Folia-aksene er ofte ikke parallelle med lobulære akser (små piler). Den stiplede linjen (Nedre Midten) skisserer et enkelt folium som spiraler opp fra dypet av en sprekk over toppen av lobule VI. vermis er indikert av tynne stiplede linjer. I Den Nedre skanningen (kontrast-reversert lang-TE, T2 * – vektet) kan granulecellen (lysegrå) og molekylære lag mørkegrå) skille seg fra hvitt materiale (hvitt).
vi rekonstruerte også overflatene til de store utgangskjernene i cerebellum, dentatkjernene. Før utfolding har disse kjernene den omtrentlige formen av ribbet pita lommer. Overflatene ble flatet ved hjelp av en medial avslapping kutt (Fig. 2, Nederst). Deres totale overflateareal (venstre og høyre) målt langs deres ytre overflater var 18,6 cm2; dette inkluderer ikke de mye mindre interposed og fastigial kjernene. Dette gir et arealforhold mellom cerebellar cortex til cerebellar utgangskjerner på > 80: 1.
For å gi et øyeblikksbilde av hvordan overflaten av neocortex og cerebellum har endret seg i primatutviklingen, rekonstruerte, målte og utviklet vi de neokortiske og cerebellære overflatene av en bevart makakabehjerne ved hjelp av lignende metoder (Film S2). En gadolinium-gjennomvåt macaque ape hjerne ble skannet med en standard FLASH-sekvens på 4.7 T ved hjelp av isotrope 0.15-mm3 voxels, som beskrevet tidligere (18). Den rekonstruerte og oppblåste macaque monkey cerebellum (450 K hjørner) er vist nederst til venstre På Fig. 2 på samme skala som den menneskelige cerebellum. Det totale krympekorrigerte overflatearealet av pialoverflaten av macaque monkey cerebellum var 90 cm2. Dette er noe større enn tidligere rapportert . Til sammenligning var det totale arealet av pialoverflaten av macaque monkey neocortex fra samme dyr 269 cm2. Således, i macaque aper, har cerebellum minst 33% av overflaten av neocortex, mens hos mennesker har cerebellum ∼78% av overflaten av neocortex, noe som forklarer hvorfor kompleksiteten av folding av humant cerebellum har økt så dramatisk. Selv om voxel bredde var noe mindre for ape scan, folia i ape er vesentlig mindre enn folia hos mennesker, så vår ape lillehjernen areal estimat kan være litt for lavt. Likevel, vi bekreftet at alle folia ble gjenvunnet ved å inspisere skjæringspunktet mellom overflaten med hver skive.