resultaten
we wilden het gehele menselijke cerebellaire oppervlak reconstrueren, ontvouwen en platmaken tot op het niveau van individuele folia om de totale oppervlakte kwantitatief te meten, de regionale structuur beter te karakteriseren en een full-resolution menselijke cerebellaire basiskaart te geven. Hoewel neuroanatomisten lange tijd diagrammatische reconstructies van het cerebellum hebben gemaakt, verschafte het landmark paper van Sultan en Braitenberg (12) de eerste volledige handmatige reconstructies van de cerebellaire oppervlakken van mensen en vele andere soorten met behulp van stereologische methoden gebaseerd op liniaal metingen van geselecteerde Folia breedtes en lengtes gemaakt op monster weefselblokken. De eerste gedetailleerde oppervlakte-gebaseerde computationele MRI-reconstructie van een levende menselijke cerebellum gebruikt herhaalde scans van een enkel onderwerp die werden gewogen voor longitudinale relaxatietijd (T1), met behulp van 1-mm-brede voxels op 1.5 T (13). Echter, aangezien een folium is meestal slechts een paar mm doorsnede, en omdat folia zijn zo strak tegen elkaar verpakt, partiële volume effecten maakte het moeilijk om ze volledig op te lossen. Meer recent werden 7-T scans met iets kleinere voxels gebruikt om de lobulaire oppervlakken van individuele cerebella te reconstrueren (14), maar partiële volume effecten weer voorkomen volledig herstel van alle folia. Als pragmatische oplossing voor de weergave van functionele en structurele in vivo gegevens op het cerebellum, is het gebruikelijk geworden om een oppervlak te gebruiken dat de gemiddelde convexe romp van het cerebellum vangt en abstraheert over de fijnere lobule – en folia-niveau details (15, 16).
om een volledige, kwantitatieve, hoge-resolutie reconstructie van het gehele menselijke cerebellaire corticale oppervlak te leveren die alle folia herwist, scanden we bewaarde cerebellaire specimens op 9,4 T met veel kleinere isotrope voxels met een breedte van 0,19 mm bij twee echotijden (Tes) (Fig. 1): een korte TE voor het genereren van proton density-weighted (PD) beelden en een lange TE voor beelden gewogen door transversale relaxatietijd (T2*). We combineerden de beelden te annuleren inhomogene spoel ontvangen velden, verder genormaliseerd het resultaat met behulp van analyse van functionele neuroimages (AFNI) hulpprogramma ‘ s, contrast-omgekeerd, en vervolgens uitgebreid de originele FreeSurfer software te reconstrueren, ontvouwen en plat de hele cerebellaire cortex (SI Appendix, aanvullende tekst). Onze schatting van de totale cerebellaire oppervlakte was groter dan enige eerdere schatting, met 78% van de oppervlakte van de gehele menselijke neocortex.
om de maximale voxelgrootte te bepalen die de kenmerken van de menselijke cerebellaire cortex kan herstellen tot op het niveau van individuele folia, werd de uiteindelijke verwerkte driedimensionale (3D) dataset herhaaldelijk afgebroken en opnieuw gereconstrueerd, waarna de resulterende oppervlakken werden vergeleken met de oppervlakte van de native 0,19 mm brede voxelreconstructie. Downsampling naar 0.21-mm voxels resulteerde in slechts 1% Verlies van oppervlakte, maar 0,28-mm voxels veroorzaakte een verlies van 14%, en 0,50-mm voxels veroorzaakte een verlies van 50% (SI Appendix, aanvullende tekst). Dit suggereert dat een volledig herstel van het menselijke cerebellaire oppervlak tot het niveau van individuele folia voxels nodig heeft die bijna net zo klein zijn als de voxels die hier worden gebruikt (∼150 voxels per mm3), wat resulteerde in een dichte oppervlakte tessellatie met bijna 5 miljoen hoekpunten, 25 keer meer dan in een typische FreeSurfer cerebrale hemisfeer. De beelden van de protondichtheid werden zelf gebruikt om de linker en rechter dentaatkernen afzonderlijk te reconstrueren (omdat de T2*/PD operatie het contrast in de dentaatkernen verminderde).
voor het gemak van vergelijking worden de gegevens van de invoerschijven en de gevouwen, uitgevouwen en afgeplatte oppervlakken (met inbegrip van de rechterkern van het gebit) op dezelfde schaal weergegeven in Fig. 2. Elke gevouwen, ontvouwde en afgeplatte weergave wordt tweemaal geïllustreerd, eenmaal met de vertexwise waarde van de gemiddelde convexiteit die de verschillende lobbels aangeeft en dan weer (onmiddellijk naar rechts/onder) met de lokale kromming, die het vouwen op het niveau van folia visualiseert. Groene oppervlakken geven de kronen van de kreeften en de kronen van de folia, respectievelijk. Film S1 illustreert dynamisch hoe de lobules in beeld komen terwijl het ontvouwen zich voortzet.
cerebellaire plakjes en gevouwen, opgeblazen, afgeplatte cerebellaire oppervlakken, allemaal op dezelfde schaal. Beginnend in de linkerbovenhoek, slice beelden worden tessellated en het resulterende oppervlak werd uitgevouwen, gesneden (rechtsboven), en afgevlakt. Elk oppervlak wordt twee keer getoond, eerst met kleur gecodeerd door FreeSurfer gemiddelde convexiteit (“sulc”, die lobbels markeert) en vervolgens door lokale kromming (“curv”, die veel kleinere folia markeert). Linksonder ziet men een makaakaap cerebellum op dezelfde schaal.
de totale oppervlakte van het gereconstrueerde Piale oppervlak van de cerebellaire cortex (Fig. 3) was 1,590 cm2 na correctie voor fixatie-geïnduceerde krimp (si Appendix, aanvullende tekst). Dit is aanzienlijk groter dan een eerdere schatting. Ter vergelijking, de grootste eerdere schatting was 1,128 cm2 gerapporteerd door Sultan en Braitenberg (12). Eerdere MRI-gebaseerde schattingen van in vivo MRI-scans waren uniform veel kleiner omdat individuele folia niet volledig verdwenen, zoals opgemerkt door de auteurs .
ter vergelijking, de totale oppervlakte van de buitenste, Piale oppervlakken van de linker plus rechter cerebrale hemisferen van vrouwelijke menselijke proefpersonen (dat is 1,2 keer de FreeSurfer “standaard gebied” gemeten op de grijs-witte stof oppervlak; materialen en methoden) is ∼2,038 cm2 (17). Dit betekent dat het Piale oppervlak van het menselijke cerebellum bijna even groot is als dat van de gehele neocortex, hoewel het cerebellum ruwweg een achtste van het volume van de neocortex is.
de meeste anatomische studies van het cerebellum hebben diagrammatische ontvouwingen en afvlakkingen gebruikt die de lokale vervorming van het oppervlak niet gelijkmatig minimaliseren. Het bleek verrassend moeilijk om het cerebellaire corticale oppervlak te ontvouwen en plat te maken met behulp van lokale geometrie-bewaringsmethoden ontwikkeld voor de neocortex, omdat het cerebellum meer Gaussiaanse (intrinsieke) kromming heeft dan de neocortex (13). In eerste instantie lijkt dit contra-intuïtief, omdat de langwerpige individuele folia een cilindrische vorm hebben (meestal extrinsieke kromming) en dus schijnbaar in staat moeten zijn om te worden ontvouwen en afgeplat met weinig lokale ruimte/hoekvervorming (zoals het uitrollen van een yogamat). Echter, individuele folia op het niveau van de middellijn van het cerebellum (vermis) duidelijk opgesplitst in meerdere folia wanneer ze verder in de cerebellaire hemisferen. Aan de zijranden van de hemisferen lijken deze folia in veel gevallen weer te versmelten (Fig. 2, platte weergave van folia). Tijdens het oppervlakteinflatieproces leidt deze complexe geometrie tot “bubbels” die zowel aan de zijrand als aan de middellijn zijn gebonden (Fig. 2, ventrale uitgevouwen uitzicht en de tweede helft van film S1). Net als een bol hebben deze lobulaire “bubbels” een grote hoeveelheid intrinsieke kromming en kunnen ze niet verder worden opgeblazen (of afgevlakt) zonder ernstige vervorming te veroorzaken.
om het oppervlak plat te maken zonder ernstige lokale vervorming van het gebied te veroorzaken, werd elke mediolaterale bel losgemaakt aan de laterale uiteinden in de voorste kwab en aan de laterale en middellijne uiteinden in de achterste kwab (bijvoorbeeld crus I en II). De eerste pogingen om het snijvlak te berekenen zonder het verder onder te verdelen waren niet succesvol, omdat de lokale metingen die het afvlakken aandrijven, overweldigd werden door de enorme grootte van het gaas. Daarom werd het gaas gesneden in vier grote stukken en drie kleinere stukken die allemaal apart werden afgevlakt. Het voorste deel van het cerebellum werd in twee grote stukken gesneden zonder een linker/rechter snede (lobules I tot V en lobules V en VI). Bij de grote” superieure posterieure ” spleet voor crus I werd het oppervlak verdeeld in linker-en rechterhelften (inclusief crus I, de horizontale spleet, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB en de secundaire spleet); het anteromediale uiteinde van elk van deze spleet begint op twee kleine paramediaanse gebieden waar de witte stof wordt blootgesteld (geen bovenliggende folia). Tot slot, de twee kleinere paraflocculi (de “amandelen”; kwab IX), werden apart afgeplat, net als de posterior vermis vanaf het punt waar de posterior lobben in rechter-en linkerhelven werden gesneden. Lichte schade aan de flocculi maakte het volledig herstel van de oppervlakte daar moeilijk.
na de sneden konden de oppervlakstukken worden afgevlakt terwijl er slechts minimale lokale vervorming werd aangebracht. Dit resulteerde in een uitgevouwen oppervlak dat sterk werd verlengd in de anteroposterior richting; het was bijna 1 m lang, maar slechts ongeveer 10 cm breed. De oppervlakte van lobule VII samen met lobule VIII was bijna tweemaal de totale oppervlakte van lobules I tot en met VI. in tegenstelling, in vorige ontvouwingen (13), lijken deze twee gebieden ongeveer gelijke gebieden te hebben vanwege het minder volledige herstel van folia in het complex gevouwen posterieure cerebellum.
onderzoek naar de gedetailleerde geometrie van de lobules en folia bracht een aantal onverwachte kenmerken aan het licht. Toen (uitgevouwen) lobules de middellijn naderden, daalde de top van een lobule soms af in een spleet in het tegenovergestelde halfrond (Fig. 4, grote cyaan pijlen). Bovendien, hoewel de lange assen van de folia soms ongeveer evenwijdig waren aan de lange as van een lobule, een inspectie van de folia visualisatie (Fig. 2, folia / lokale krommingskaart; Fig. 4, kleine pijlen) toont vele gebieden waarin de hoek tussen de twee is zo groot als 45° (bijvoorbeeld lobule V). Terwijl men snel door plakjes piepte, werd het duidelijk dat individuele folia vaak van diep in een spleet omhoog spiraalde naar de top van een lobule en vervolgens naar beneden aan de andere kant (Fig. 4, Dikke stippellijn).
gedetailleerde geometrie van lobules en folia. Lobulaire kammen veranderen soms in kloven over de middellijn (dikke blauwe/cyaan pijlen). De bijlen van folia zijn vaak niet evenwijdig aan lobulaire bijlen (kleine pijlen). De stippellijn (onderste midden) omlijnt een enkel folium dat uit de diepte van een spleet boven de top van lobule VI spiraalt. de vermis wordt aangegeven door dunne stippellijnen. In de onderste scan (contrast-reversed long-TE, T2*-gewogen) kunnen de korrelcel (lichtgrijs) en moleculaire lagen donkergrijs worden onderscheiden van witte materie (Wit).
We reconstrueerden ook de oppervlakken van de belangrijkste uitgangskernen van het cerebellum, de dentaatkernen. Voor het ontvouwen, deze kernen hebben de geschatte vorm van geribbelde pita zakken. De oppervlakken werden afgeplat met behulp van een mediale relaxatiesnede (Fig. 2, bodem). Hun totale oppervlakte (links en rechts) gemeten langs hun buitenste oppervlakken was 18,6 cm2; dit omvat niet de veel kleinere tussenliggende en fastigiale kernen. Dit geeft een Areale Verhouding van cerebellaire cortex tot cerebellaire uitgangskernen van > 80: 1.
om een momentopname te geven van hoe de oppervlakte van de neocortex en het cerebellum zijn veranderd in de evolutie van de primaten, reconstrueerden, maten en ontvouwden we de neocorticale en cerebellaire oppervlakken van een behouden makaken-apenhersenen met behulp van vergelijkbare methoden (Movie S2). Een met gadolinium doordrenkte makaak-apenhersenen werd gescand met een standaard FLITSVOLGORDE van 4,7 T met behulp van isotrope 0,15-mm3 voxels, zoals eerder beschreven (18). De gereconstrueerde en opgeblazen makaakaap cerebellum (450 K hoekpunten) wordt getoond aan de linkeronderzijde van Fig. 2 op dezelfde schaal als het menselijke cerebellum. De totale krimp-gecorrigeerde oppervlakte van het Piale oppervlak van de makaakaap cerebellum was 90 cm2. Dit is iets groter dan eerder is gemeld . Ter vergelijking: de totale oppervlakte van het Piale oppervlak van de makaakaap neocortex van hetzelfde dier was 269 cm2. Bij makaken heeft het cerebellum dus minstens 33% van het oppervlak van de neocortex, terwijl bij mensen het cerebellum ∼78% van het oppervlak van de neocortex heeft, wat verklaart waarom de complexiteit van het vouwen van het menselijke cerebellum zo dramatisch is toegenomen. Hoewel de voxelbreedte iets kleiner was voor de apenscan, zijn de folia bij de aap aanzienlijk kleiner dan de folia bij de mens, dus onze apenschatting van het cerebellaire oppervlak kan iets te laag zijn. Toch hebben we gecontroleerd dat alle folia werden teruggevonden door het inspecteren van de snijpunt van het oppervlak met elke schijf.