Resultados
partimos para reconstruir, desdobrar-se, e achatar todo o ser humano cerebelar superfície para baixo para o nível individual de folia para medir quantitativamente a sua superfície total, melhor caracterizar a sua estrutura regional, e fornecer uma resolução completa humanos cerebelar da base de dados de mapa. Embora neuroanatomistas ter feito muito tempo diagramática reconstruções do cerebelo, o marco de papel pelo Sultão e Braitenberg (12) o primeiro manual completo reconstruções do cerebelar superfícies dos seres humanos e muitas outras espécies utilizando stereologic métodos baseados na régua de medições selecionadas folia larguras e comprimentos feitos em amostras de blocos de tecido. A primeira reconstrução computacional detalhada de ressonância magnética superficial de um cerebelo humano vivo usou varreduras repetidas de um único sujeito que foram ponderadas para o tempo de relaxamento longitudinal (T1), usando voxels de 1 mm de largura a 1.5 T (13). No entanto, uma vez que um fólio é tipicamente de apenas alguns mm de diâmetro, e porque a fólio são tão apertados uns contra os outros, efeitos de volume parcial tornou difícil resolvê-los completamente. Mais recentemente, varreduras de 7-T com voxels ligeiramente menores foram usadas para reconstruir as superfícies lobulares de cada cerebelo (14), mas os efeitos de volume parcial novamente impediram a recuperação completa de todas as folias. Como uma solução pragmática para a exibição de dados funcionais e estruturais in vivo sobre o cerebelo, tornou – se prática comum usar uma superfície que captura o casco convexo médio do cerebelo e abstrai sobre os detalhes do nível mais fino do lóbulo e folia (15, 16).
para fornecer uma reconstrução completa, quantitativa e de alta resolução de toda a superfície cortical cerebelar humana recuperando toda a folhia, nós digitalizamos espécimes cerebelares em 9,4 T com voxels muito menores isotrópicos 0.19-mm de largura em duas vezes ecoadas (TEs) (Fig. 1): a short TE to generate proton density-weighted (PD) images and a long TE for images weighted by transverse relaxation time (T2*). Nós combinamos as imagens para cancelar não homogêneas bobina recebe campos, mais normalizado o resultado por meio de análise de neuroimagens funcionais (AFNI) utilitários, contraste invertido e, em seguida, estendeu o original FreeSurfer software para reconstruir, desdobrar-se, e achatar todo o córtex cerebelar (SI Apêndice, Texto Complementar). Nossa estimativa da área total da superfície cerebelar foi maior do que qualquer estimativa anterior, em 78% da área da superfície de todo o neocórtex humano.
para determinar o tamanho máximo de voxel capaz de recuperar as características do córtex cerebelar humano até o nível de folia individual, o conjunto de dados tridimensional processado final (3D) foi repetidamente recolhido e reconstruído, e então as áreas de superfície resultantes foram comparados com a área de superfície da reconstrução do voxel nativo de 0,19 mm de largura. A descer para 0.O voxels de 21 mm resultou em apenas 1% de perda de superfície, mas 0,28 mm de voxels causou uma perda de 14%, e 0,50 mm de voxels causou uma perda de 50% (Apêndice SI, texto suplementar). Isto sugere que uma recuperação completa da superfície cerebelar humana para o nível de folia individual requer voxels quase tão pequenos quanto os utilizados aqui (∼150 voxels por mm3), o que resultou em uma tesselação superficial densa com quase 5 milhões de vértices, 25 vezes mais do que em um hemisfério cerebral típico FreeSurfer. As imagens de densidade de prótons foram usadas por si mesmas para reconstruir separadamente os núcleos dentados esquerdo e direito (porque a operação T2*/PD reduziu o contraste nos núcleos dentados).
para facilitar a comparação, os dados das fatias de entrada e as superfícies dobradas, desdobradas e achatadas (incluindo o núcleo do dentado direito) são todas ilustradas na mesma escala na figura. 2. Cada visão dobrada, desdobrada e achatada é ilustrada duas vezes, uma vez mostrando o valor vértice da convexidade média indicando os diferentes lóbulos e, em seguida, novamente (imediatamente à direita/abaixo) mostrando a curvatura local, que visualiza a dobragem ao nível de folia. Manchas verdes de superfície indicam as coroas de lóbulos e as coroas da fólio, respectivamente. Movie S1 dynamically illustrated how the lobules come into view as unfolding proceeds.
fatias cerebelares e superfícies cerebelares dobradas, infladas e achatadas, Todas na mesma escala. Começando na parte superior esquerda, as imagens são tesseladas e a superfície resultante foi desdobrada, cortada (parte superior direita) e achatada. Cada superfície é mostrada duas vezes, primeiro por convexidade média de FreeSurfer (“sulc”, que marca lobulos) e depois por curvatura local (“curvatura”, que marca folia muito menor). Na parte inferior esquerda, um cerebelo macaca de macaco é mostrado na mesma escala.
a área total da superfície pial reconstruída do córtex cerebelar (Fig. 3) foi de 1.590 cm2 após correção para encolhimento induzido pela fixação (Apêndice SI, texto suplementar). Isto é consideravelmente maior do que qualquer estimativa anterior. Para comparação, a maior estimativa anterior foi de 1,128 cm2 relatada por Sultan e Braitenberg (12). As estimativas anteriores baseadas em IRM, obtidas a partir de imagens de IRM in vivo, foram uniformemente muito menores porque a fólio individual não foi completamente resolvida, como foi observado pelos autores .
Reconstruction of the pial surface of the human cerebellum in superoposterior view.
Para comparação, a área total do exterior, pial superfícies de esquerda e direita hemisférios cerebrais do sexo feminino seres humanos (que é de 1.2 vezes o FreeSurfer “padrão”, medida cinza-branco importa superfície; Materiais e Métodos) é ∼2,038 cm2 (17). Isto significa que a área de superfície do cerebelo humano é quase tão grande quanto a do neocórtex inteiro, embora o cerebelo seja aproximadamente um oitavo do volume do neocórtex.
a maioria dos estudos anatômicos do cerebelo têm usado desdobramentos diagramáticos e achatamentos que não minimizam uniformemente a distorção da superfície local. Tornou-se surpreendentemente difícil desdobrar e achatar a superfície cortical cerebelar usando métodos locais de preservação da geometria desenvolvidos para o neocórtex, porque o cerebelo tem curvatura mais gaussiana (intrínseca) do que o neocórtex (13). Em primeiro lugar, isso pode parecer contraditório, porque alongado individuais folia tem uma forma cilíndrica (principalmente curvatura extrínseca) e, portanto, deve aparentemente ser capaz de ser desvendado e achatada, com pequeno areal/distorção angular (como desenrolar um tapete de yoga). No entanto, a fólio individual ao nível da linha média do cerebelo (vermis) claramente se dividiu em várias fólios quando eles continuam nos hemisférios cerebelares. Nas bordas laterais dos hemisférios, estas Folias aparecem em muitos casos para se fundirem novamente (Fig. 2, representação plana de folia). Durante o processo de inflação superficial, esta geometria complexa leva a “bolhas” que são atadas tanto na borda lateral quanto na linha média (Fig. 2, Visão ventral desdobrada e segunda metade do Filme S1). Como uma esfera, estas “bolhas” lobulares têm uma grande quantidade de curvatura intrínseca e não podem ser mais infladas (ou achatadas) sem causar grave distorção.
portanto, para achatar a superfície sem introduzir grave distorção local areal, cada bolha mediolateral foi solta em suas extremidades laterais no lobo anterior e em ambas as extremidades lateral e média no lobo posterior (por exemplo, crus I e II). As tentativas iniciais de desvendar computacionalmente a superfície de corte sem subdividi-la foram infrutíferas, porque as medidas locais que impulsionam o achatamento foram esmagadas pelo enorme tamanho da malha. Portanto, a malha foi cortada em quatro peças grandes e três peças menores que foram todas achatadas separadamente. A parte anterior do cerebelo foi cortada em duas grandes peças sem um corte esquerdo/direito (lóbulos I A V e lóbulos V E VI). No grande “superior posterior” fissura anterior ao pilar I, a superfície foi dividida em esquerda e direita metades (incluindo crus eu, a fissura horizontal, crus II, B, VIII, VIIIB, e o secundário fissura); o anteromedial final de cada um desses patches começa em duas pequenas paramedian regiões onde a matéria branca é exposto (sem sobrejacente folia). Finalmente, os dois paraflocculi menores (as “amígdalas”; lóbulo IX), foram achatados separadamente, como foi o vermis posterior a partir do ponto onde os lobos posteriores foram cortados em metades direita e esquerda. Pequenos danos nos floculi dificultaram a recuperação total da área de superfície.
após os cortes, as peças de superfície poderiam então ser achatadas, introduzindo apenas uma distorção areal mínima local. Isto resultou em uma superfície não dobrada que foi muito estendida na direção anteroposterior; tinha quase 1 m de comprimento, mas apenas 10 cm de largura. A área de superfície do lóbulo VII juntamente com o lóbulo VIII foi quase o dobro da área total dos lóbulos I a vi. em contraste, em desdobramentos anteriores (13), estas duas regiões parecem ter áreas aproximadamente iguais devido à recuperação menos completa de folia no cerebelo posterior dobrado de forma complexa.
o exame da geometria detalhada dos lóbulos e fólio revelou várias características inesperadas. À medida que os lóbulos (não dobrados) se aproximavam da linha média, a crista de um lóbulo às vezes descia em uma fissura no hemisfério oposto (Fig. 4, setas cíanas grandes). Além disso, embora os eixos longos da fólio fossem por vezes aproximadamente paralelos ao eixo longo de um lóbulo, uma inspeção da visualização da fólio (Fig. 2, folia/mapa da curvatura local; Fig. 4, pequenas setas) mostra muitas regiões em que o ângulo entre as duas é tão grande como 45° (por exemplo, lobule V). Enquanto pagando rapidamente através de fatias, tornou-se evidente que a fólio individual muitas vezes espiralou para cima a partir das profundezas de uma fissura para a crista de um lobo e, em seguida, para baixo do outro lado (Fig. 4, linha dashed grossa).
geometria detalhada dos lóbulos e folia. As cristas lobulares às vezes se transformam em fissuras através da linha média (flechas azuis grossas/cianas). Os eixos de fólio não são muitas vezes paralelos aos eixos lobulares (pequenas setas). A linha tracejada (meio inferior) delineia um único folium que sai das profundezas de uma fissura sobre a crista do lobo VI. o vermis é indicado por linhas pontilhadas finas. Na varredura inferior (contrast-reversed long-TE, T2*-weighted), a célula granular (cinza claro) e camadas moleculares cinza escuro) podem ser distinguidas da matéria branca (branco).
também reconstruímos as superfícies dos principais núcleos de saída do cerebelo, os núcleos dentados. Antes de se revelarem, estes núcleos têm a forma aproximada de bolsas de pita com nervuras. As superfícies foram achatadas usando um corte de relaxamento medial (Fig. 2, Bottom). Sua superfície total (esquerda e direita) medida ao longo de suas superfícies externas foi de 18,6 cm2; isso não inclui os núcleos interpostos e fastigiais muito menores. Isto dá uma relação areal entre o córtex cerebelar e os núcleos de saída cerebelar de >80:1.
para fornecer uma imagem de como a área de superfície do neocortex e do cerebelo mudaram na evolução dos primatas, reconstruímos, medimos e desdobrámos as superfícies neocorticais e cerebelares de um macaco-macaco preservado usando métodos similares (Movie S2). Um cérebro de macaco Macaca encharcado com gadolínio foi digitalizado com uma sequência FLASH padrão de 4,7 T usando voxels isotrópicos 0.15-mm3, como descrito anteriormente (18). O cerebelo do macaco Macaca reconstruído e inflado (450 K vértices) é mostrado na parte inferior esquerda do Figo. 2 na mesma escala que o cerebelo humano. A superfície total corrigida pelo encolhimento da superfície da superfície do cerebelo do macaco Macaca era de 90 cm2. Isto é um pouco maior do que foi relatado anteriormente . Para comparação, a área total da superfície da superfície da superfície do macaco Macaca neocortex do mesmo animal foi de 269 cm2. Assim, em Macacos Macacos, o cerebelo tem pelo menos 33% da área de superfície do neocórtex, enquanto em humanos, o cerebelo tem ∼78% da área de superfície do neocórtex, o que explica por que a complexidade de dobrar o cerebelo humano aumentou tão dramaticamente. Embora a largura do voxel tenha sido um pouco menor para a varredura do macaco, a folia no macaco é substancialmente menor que a folia em humanos, então a estimativa da superfície cerebelar do macaco pode ser um pouco baixa demais. No entanto, verificámos que todas as folhas foram recuperadas inspeccionando a intersecção da superfície com cada fatia.