wyniki
postanowiliśmy zrekonstruować, rozwinąć i spłaszczyć całą powierzchnię ludzkiego móżdżku do poziomu pojedynczych folii, aby ilościowo zmierzyć jego całkowitą powierzchnię, lepiej scharakteryzować jego strukturę regionalną i zapewnić pełną rozdzielczość mapy podstawy ludzkiego móżdżku. Chociaż neuroanatomiści od dawna dokonywali diagramatycznych rekonstrukcji móżdżku, przełomowy artykuł Sultana i Braitenberga (12) dostarczył pierwszych kompletnych ręcznych rekonstrukcji powierzchni móżdżku ludzi i wielu innych gatunków przy użyciu metod stereologicznych opartych na pomiarach liniowych wybranych szerokości i długości folii wykonanych na próbnych blokach tkanek. W pierwszej szczegółowej rekonstrukcji powierzchniowej MRI żywego ludzkiego móżdżku wykorzystano powtarzane skany pojedynczego obiektu, które ważono dla czasu relaksacji wzdłużnej (T1), używając wokseli o szerokości 1 mm przy 1.5 T (13). Ponieważ jednak folium ma zwykle tylko kilka mm średnicy i ponieważ folia jest tak ciasno zapakowana względem siebie, efekty częściowej objętości utrudniały ich pełne rozwiązanie. Ostatnio do rekonstrukcji powierzchni płatów móżdżku użyto skanów 7-T z nieco mniejszymi wokselami (14), ale efekty częściowej objętości ponownie uniemożliwiły całkowite odzyskanie wszystkich folii. Jako pragmatyczne rozwiązanie do wyświetlania in vivo funkcjonalnych i strukturalnych danych na móżdżku, powszechną praktyką stało się użycie powierzchni, która przechwytuje średni wypukły kadłub móżdżku i abstrahuje nad drobniejszymi szczegółami na poziomie płatów i folii (15, 16).
aby zapewnić kompletną, ilościową, wysokiej rozdzielczości rekonstrukcję całej ludzkiej powierzchni kory móżdżku, odzyskując wszystkie folia, zeskanowaliśmy zachowane próbki móżdżku w temperaturze 9,4 T ze znacznie mniejszymi izotropowymi wokselami o szerokości 0,19 mm w dwóch czasach ECHA (Tes) (Fig. 1): krótki TE do generowania obrazów ważonych gęstością protonu (PD) i długi TE do obrazów ważonych poprzecznym czasem relaksacji (T2*). Połączyliśmy obrazy, aby anulować niejednorodne pola odbioru cewki, znormalizowaliśmy wynik za pomocą analizy funkcjonalnych neuroobrazów (AFNI), odwróciliśmy go kontrastowo, a następnie rozszerzyliśmy oryginalne oprogramowanie FreeSurfer, aby zrekonstruować, rozwinąć i spłaszczyć całą korę móżdżku (dodatek SI, tekst uzupełniający). Nasze oszacowanie całkowitej powierzchni móżdżku było większe niż jakiekolwiek poprzednie oszacowanie, na 78% powierzchni całej ludzkiej kory nowej.
aby określić maksymalny rozmiar woksela zdolny do odzyskania cech ludzkiej kory móżdżkowej do poziomu pojedynczych folii, końcowy przetworzony trójwymiarowy (3D) zestaw danych był wielokrotnie próbkowany i rekonstruowany, a następnie uzyskane powierzchnie porównywano z powierzchnią natywnej rekonstrukcji woksela o szerokości 0,19 mm. Downsampling do 0.21-milimetrowe woksele powodowały tylko 1% straty powierzchni, 0,28-milimetrowe woksele powodowały 14% straty, a 0,50-milimetrowe straty 50% (dodatek SI, tekst uzupełniający). Sugeruje to, że pełne przywrócenie ludzkiej powierzchni móżdżku do poziomu pojedynczych folii wymaga wokseli prawie tak małych, jak te stosowane tutaj (∼150 wokseli na mm3), co spowodowało gęstą teselację powierzchni z prawie 5 milionami wierzchołków, 25 razy więcej niż w typowej półkuli mózgowej FreeSurfer. Obrazy gęstości protonów były wykorzystywane do oddzielnej rekonstrukcji lewego i prawego jądra zębatego (ponieważ operacja T2* / PD zmniejszyła kontrast w jądrach zębatych).
dla ułatwienia porównania, Dane wejściowe wycinka oraz złożone, rozłożone i spłaszczone powierzchnie (w tym prawe jądro zębate) są przedstawione w tej samej skali na Fig. 2. Każdy złożony, rozłożony i spłaszczony widok jest ilustrowany dwukrotnie, raz wyświetlając wierzchołkową wartość średniej wypukłości wskazującą różne zrazy, a następnie ponownie (bezpośrednio w prawo/poniżej) wyświetlając lokalną krzywiznę, która wizualizuje składanie na poziomie folii. Zielone plamy powierzchniowe wskazują odpowiednio korony zrazów i korony folii. Film S1 dynamicznie ilustruje, w jaki sposób zrazy pojawiają się w miarę rozwoju.
plastry móżdżku i pofałdowane, napompowane, spłaszczone powierzchnie móżdżku, wszystkie w tej samej skali. Począwszy od lewego górnego rogu, obrazy slice są tessellowane, a uzyskana powierzchnia została rozłożona, przycięta (w prawym górnym rogu) i spłaszczona. Każda powierzchnia jest pokazana dwa razy, najpierw oznaczona kolorami przez średnią wypukłość Freesurfera („sulc”, która oznacza zrazikowe), a następnie przez lokalną krzywiznę („curv”, która oznacza znacznie mniejsze folia). W lewym dolnym rogu w tej samej skali pokazany jest móżdżek makaka.
całkowity obszar zrekonstruowanej powierzchni pialowej kory móżdżku (rys. 3) miał 1590 cm2 po korekcie pod kątem skurczu spowodowanego fiksacją (dodatek SI, tekst uzupełniający). Jest to znacznie większe niż jakiekolwiek wcześniejsze szacunki. Dla porównania, największe wcześniejsze szacunki wynosiły 1128 cm2 podane przez sułtana i Braitenberga (12). Wcześniejsze szacunki oparte na MRI z badań in vivo MRI były jednakowo znacznie mniejsze, ponieważ poszczególne folia nie zostały całkowicie rozwiązane, jak zauważono przez autorów .
rekonstrukcja powierzchni pialowej ludzkiego móżdżku w widoku superoposterior.
dla porównania, całkowita powierzchnia zewnętrznych, pialowych powierzchni lewej i prawej półkul mózgowych kobiet (która jest 1,2 razy większa od „standardowego obszaru” Freesurfera mierzonego na powierzchni istoty szaro-białej; materiały i metody) wynosi ∼2,038 cm2 (17). Oznacza to, że powierzchnia pialowa ludzkiego móżdżku jest prawie tak duża jak powierzchnia całej kory nowej, mimo że móżdżek jest mniej więcej jedną ósmą objętości kory nowej.
w większości badań anatomicznych móżdżku zastosowano schematyczne rozłożenia i spłaszczenia, które nie minimalizują równomiernie lokalnych zniekształceń powierzchni. Okazało się to zaskakująco trudne do rozwinięcia i spłaszczenia powierzchni kory móżdżku przy użyciu lokalnych metod zachowania geometrii opracowanych dla kory nowej, ponieważ móżdżek ma więcej krzywizny Gaussa (wewnętrznej) niż kora nowa (13). Na początku może to wydawać się sprzeczne z intuicją, ponieważ wydłużone pojedyncze folia mają kształt Cylindryczny (głównie krzywizny zewnętrzne) i dlatego powinny być pozornie rozłożone i spłaszczone z niewielkim lokalnym zniekształceniem arealnym/kątowym (jak rozwijanie Maty Do Jogi). Jednak pojedyncze folia na poziomie linii środkowej móżdżku (vermis) wyraźnie dzieli się na wiele folii, gdy kontynuują w półkuli móżdżku. Na bocznych krawędziach półkul, te folia pojawiają się w wielu przypadkach do ponownego łączenia (rys. 2, płaskie przedstawienie folii). Podczas procesu pompowania powierzchni ta złożona geometria prowadzi do „pęcherzyków”, które są związane zarówno na krawędzi bocznej, jak i linii środkowej (rys. 2, widoki brzuszne i druga połowa filmu S1). Podobnie jak kula, te kulowe „pęcherzyki” mają dużą ilość wewnętrznej krzywizny i nie mogą być dalej napompowane (lub spłaszczone) bez powodowania poważnych zniekształceń.
w związku z tym, aby spłaszczyć powierzchnię bez wprowadzania poważnych lokalnych zniekształceń arealnych, każdy średnioboczny pęcherzyk został rozcięty na jego bocznych końcach w płacie przednim i na bocznych i środkowych końcach w płacie tylnym (np. crus I I II). Pierwsze próby obliczeniowego rozwinięcia ciętej powierzchni bez dalszego jej dzielenia zakończyły się niepowodzeniem, ponieważ lokalne pomiary, które napędzają spłaszczanie, zostały przytłoczone przez ogromny rozmiar siatki. Dlatego siatka została pocięta na cztery duże kawałki i trzy mniejsze kawałki, które zostały spłaszczone osobno. Przednia część móżdżku została pocięta na dwa duże kawałki bez lewego / prawego cięcia (lobules I do V oraz lobules V i VI). W dużej” górnej tylnej ” szczelinie przed crus I, powierzchnia została podzielona na lewą i prawą połowę (w tym Crus I, szczelina pozioma, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB i szczelina wtórna); przedni koniec każdej z tych plam zaczyna się w dwóch małych regionach paramedialnych, w których odsłonięta jest substancja biała (bez pokrywających się folii). Wreszcie dwa mniejsze paraflocculi („migdałki”; płat IX), zostały spłaszczone oddzielnie, podobnie jak tylny robak, począwszy od punktu, w którym płaty tylne zostały pocięte na prawą i lewą połowę. Niewielkie uszkodzenia flokuli utrudniały pełne odzyskanie powierzchni.
po cięciach kawałki powierzchni mogły być spłaszczone, wprowadzając tylko minimalne lokalne zniekształcenia powierzchni. W wyniku tego powstała rozłożysta powierzchnia, która była znacznie rozszerzona w kierunku przednio-bocznym; miała prawie 1 m długości, ale tylko około 10 cm szerokości. Powierzchnia płata VII wraz z płatem VIII była prawie dwukrotnie większa od całkowitej powierzchni płata od I do VI. w przeciwieństwie do tego, w poprzednich rozwinięciach (13), te dwa obszary wydają się mieć w przybliżeniu równe obszary z powodu mniej całkowitego odzyskiwania folii w złożonym móżdżku tylnym.
badanie szczegółowej geometrii płatów i folii ujawniło kilka nieoczekiwanych cech. Jak (rozłożone) lobules zbliżył się do linii środkowej, grzebień lobule czasami zszedł do szczeliny w przeciwnej półkuli (rys. 4, duże cyan strzałki). Ponadto, chociaż długie osie folii były czasami w przybliżeniu równoległe do długiej osi płata, Kontrola wizualizacji folii (Fig. 2, folia / lokalna Mapa krzywizny; rys. 4, małe strzałki) pokazuje wiele regionów, w których kąt między nimi jest tak duży, jak 45° (np lobule V). Podczas szybkiego stronicowania przez plasterki, okazało się, że poszczególne folia często spiralnie się od głęboko w szczelinie do grzebienia płata, a następnie w dół po drugiej stronie (rys. 4, gruba linia przerywana).
szczegółowa geometria zrazów i folii. Płaski grzebień czasami zamieniają się w szczeliny w całej linii środkowej (grube niebieskie / cyjan strzałki). Osie folii często nie są równoległe do osi kulkowych (małe strzałki). Linia przerywana (Dolna Środkowa) przedstawia pojedyncze folium, które spiralnie wznosi się z głębokości szczeliny nad grzebieniem lobule VI. vermis jest oznaczony cienkimi przerywanymi liniami. W dolnym skanie (kontrastowo odwrócony long-te, T2*-ważony) można odróżnić komórki ziarniste (jasnoszare) i warstwy molekularne ciemnoszare) od materii białej (białej).
zrekonstruowaliśmy również powierzchnie głównych jąder wyjściowych móżdżku, jąder zębatych. Przed rozłożeniem jądra te mają przybliżony kształt żebrowanych kieszonek pita. Powierzchnie zostały spłaszczone za pomocą przyśrodkowego cięcia relaksacyjnego (rys. 2, dno). Ich całkowita powierzchnia (lewa i prawa) mierzona wzdłuż ich zewnętrznych powierzchni wynosiła 18,6 cm2; nie obejmuje to znacznie mniejszych jąder międzypłytkowych i fastigialnych. Daje to arealny stosunek kory móżdżku do jądra wyjściowego móżdżku >80:1.
aby przedstawić migawkę zmian powierzchni kory nowej i móżdżku w ewolucji naczelnych, zrekonstruowaliśmy, zmierzyliśmy i rozłożyliśmy powierzchnie kory nowej i móżdżku zachowanego mózgu małpy makaka przy użyciu podobnych metod (film S2). Mózg makaka nasączonego gadolinem skanowano standardową sekwencją błysku w temperaturze 4,7 T przy użyciu izotropowych wokseli 0,15-mm3, jak opisano wcześniej (18). Zrekonstruowany i napompowany móżdżek małpy makaka (450 K wierzchołków) jest pokazany w lewym dolnym rogu Fig. 2 w tej samej skali co ludzki móżdżek. Całkowity skorygowany skurcz powierzchni pialowej móżdżku makaka wynosił 90 cm2. Jest to nieco większe niż wcześniej zgłaszano . Dla porównania, całkowita powierzchnia pialowej kory nowej makaka od tego samego zwierzęcia wynosiła 269 cm2. Tak więc, u makaków móżdżek ma co najmniej 33% powierzchni kory nowej, podczas gdy u ludzi móżdżek ma ∼78% powierzchni kory nowej, co wyjaśnia, dlaczego złożoność fałdowania ludzkiego móżdżku wzrosła tak dramatycznie. Chociaż szerokość wokselowa była nieco mniejsza dla skanu małpy, folia u małpy jest znacznie mniejsza niż folia u ludzi, więc szacowana powierzchnia móżdżku małpy może być nieco za niska. Niemniej jednak sprawdziliśmy, że wszystkie folia zostały odzyskane, sprawdzając przecięcie powierzchni z każdym plastrem.