rezultate
ne-am propus să reconstruim, să desfășurăm și să aplatizăm întreaga suprafață cerebeloasă umană până la nivelul foliei individuale pentru a măsura cantitativ suprafața sa totală, pentru a caracteriza mai bine structura sa regională și pentru a oferi o hartă de bază cerebeloasă umană cu rezoluție completă. Deși neuroanatomiștii au realizat de mult timp reconstrucții diagramatice ale cerebelului, lucrarea de referință a lui Sultan și Braitenberg (12) a furnizat primele reconstrucții manuale complete ale suprafețelor cerebeloase ale oamenilor și ale multor alte specii folosind metode stereologice bazate pe măsurători de riglă ale lățimilor și lungimilor selectate ale foliei realizate pe blocuri de țesut eșantion. Prima reconstrucție RMN computațională detaliată bazată pe suprafață a unui cerebel uman viu a folosit scanări repetate ale unui singur subiect care au fost ponderate pentru timpul de relaxare longitudinală (T1), folosind voxeli cu lățimea de 1 mm la 1.5 T (13). Cu toate acestea, deoarece un foliu are de obicei doar câțiva mm și pentru că foliile sunt atât de strâns împachetate una împotriva celeilalte, efectele parțiale ale volumului au făcut dificilă rezolvarea completă a acestora. Mai recent, scanările 7-T cu voxeli puțin mai mici au fost utilizate pentru a reconstrui suprafețele lobulare ale cerebelei individuale (14), dar efectele parțiale ale volumului au împiedicat din nou recuperarea completă a tuturor foliilor. Ca soluție pragmatică pentru afișarea datelor funcționale și structurale in vivo pe cerebel, a devenit o practică obișnuită utilizarea unei suprafețe care captează corpul convex mediu al cerebelului și abstractizează detaliile mai fine ale lobulului și foliei (15, 16).
pentru a asigura o reconstrucție completă, cantitativă, de înaltă rezoluție a întregii suprafețe corticale cerebeloase umane care recuperează toate foliile, am scanat specimene cerebeloase conservate la 9,4 T cu voxeli izotropi mult mai mici de 0,19 mm lățime la două ecouri (TEs) (Fig. 1): un Te scurt pentru a genera imagini ponderate cu densitate de protoni (PD) și un Te lung pentru imagini ponderate de timpul de relaxare transversal (T2*). Am combinat imaginile pentru a anula câmpurile de primire a bobinei neomogene, am normalizat în continuare rezultatul folosind analiza utilităților funcționale neuroimages (AFNI), am inversat-o cu contrast și apoi am extins software-ul original FreeSurfer pentru a reconstrui, desfășura și aplatiza întregul cortex cerebelos (Anexa SI, text suplimentar). Estimarea noastră a suprafeței cerebeloase totale a fost mai mare decât orice estimare anterioară, la 78% din suprafața întregului neocortex uman.
pentru a determina dimensiunea maximă a voxelului capabilă să recupereze caracteristicile cortexului cerebelos uman până la nivelul foliei individuale, setul de date tridimensional (3D) procesat final a fost repetat eșantionat în jos și a fost Re-reconstruit, iar apoi suprafețele rezultate au fost comparate cu suprafața reconstrucției native voxel de 0,19 mm lățime. Reducerea eșantionului la 0.Voxelii de 21 mm au dus la doar o pierdere de suprafață de 1%, dar voxelii de 0,28 mm au provocat o pierdere de 14%, iar voxelii de 0,50 mm au provocat o pierdere de 50% (Anexa SI, text suplimentar). Acest lucru sugerează că o recuperare completă a suprafeței cerebeloase umane la nivelul foliei individuale necesită voxeli aproape la fel de mici ca cei utilizați aici (150 voxeli pe mm3), ceea ce a dus la o Teselare densă a suprafeței cu aproape 5 milioane de vârfuri, de 25 de ori mai mult decât într-o emisferă cerebrală tipică FreeSurfer. Imaginile densității protonilor au fost folosite singure pentru a reconstrui separat nucleele dentate stânga și dreapta (deoarece operația T2*/PD a redus contrastul în nucleele dentate).
pentru o comparație mai ușoară, datele de felie de intrare și suprafețele pliate, desfăcute și aplatizate (inclusiv nucleul dentat drept) sunt ilustrate la aceeași scară în Fig. 2. Fiecare vedere pliată, desfăcută și aplatizată este ilustrată de două ori, afișând o dată valoarea vertexwise a convexității medii indicând diferitele lobule și apoi din nou (imediat spre dreapta/dedesubt) afișând curbura locală, care vizualizează plierea la nivelul foliei. Petele de suprafață verde indică coroanele lobulilor și, respectiv, coroanele foliei. Filmul S1 ilustrează dinamic modul în care lobulele vin în vedere pe măsură ce se desfășoară.
felii cerebeloase și suprafețe cerebeloase pliate, umflate, aplatizate, toate la aceeași scară. Începând din stânga sus, imaginile feliei sunt teselate și suprafața rezultată a fost desfăcută, tăiată (dreapta sus) și aplatizată. Fiecare suprafață este afișată de două ori, mai întâi codificată prin culoare freesurfer convexitate medie („sulc”, care marchează lobuli) și apoi prin curbură locală („curv”, care marchează folia mult mai mică). În stânga jos, un cerebel de maimuță macac este prezentat la aceeași scară.
suprafața totală a suprafeței Piale reconstruite a cortexului cerebelos (Fig. 3) a fost de 1.590 cm2 după corectarea contracției induse de fixare (apendice SI, text suplimentar). Acest lucru este considerabil mai mare decât orice estimare anterioară. Pentru comparație, cea mai mare estimare anterioară a fost de 1.128 cm2 raportată de Sultan și Braitenberg (12). Estimările anterioare bazate pe RMN din scanările RMN in vivo au fost uniform mult mai mici, deoarece foliile individuale nu au fost complet rezolvate, după cum au remarcat autorii .
reconstrucția suprafeței Piale a cerebelului uman în vedere superoposterioară.
pentru comparație, suprafața totală a suprafețelor exterioare, Piale ale emisferelor cerebrale stângi plus drepte ale subiecților umani de sex feminin (care este de 1,2 ori „suprafața standard” FreeSurfer măsurată pe suprafața materiei gri-albe; materiale și metode) este de 2.038 cm2 (17). Aceasta înseamnă că suprafața pială a cerebelului uman este aproape la fel de mare ca cea a întregului neocortex, chiar dacă cerebelul este aproximativ o optime din volumul neocortexului.
majoritatea studiilor anatomice ale cerebelului au folosit desfășurări și aplatizări diagramatice care nu minimizează uniform distorsiunea locală a suprafeței. S-a dovedit a fi surprinzător de dificil să se desfășoare și să se aplatizeze suprafața corticală cerebeloasă folosind metode locale de conservare a geometriei dezvoltate pentru neocortex, deoarece cerebelul are mai multă curbură Gaussiană (intrinsecă) decât neocortexul (13). La început, acest lucru ar putea părea contraintuitiv, deoarece folia individuală alungită are o formă cilindrică (mai ales curbură extrinsecă) și, prin urmare, ar trebui să poată fi desfăcută și aplatizată cu puțină distorsiune locală/unghiulară (cum ar fi derularea unui covor de yoga). Cu toate acestea, folia individuală la nivelul liniei mediane a cerebelului (vermis) se împarte clar în folii multiple atunci când continuă în emisferele cerebeloase. La marginile laterale ale emisferelor, aceste folii apar în multe cazuri pentru a fuziona din nou (Fig. 2, reprezentarea plană a foliei). În timpul procesului de umflare a suprafeței, această geometrie complexă duce la” bule ” care sunt legate atât la marginea laterală, cât și la linia mediană (Fig. 2, vederi ventrale desfășurate și a doua jumătate a filmului S1). Ca o sferă, aceste „bule” lobulare au o cantitate mare de curbură intrinsecă și nu pot fi umflate (sau aplatizate) în continuare fără a provoca distorsiuni severe.
prin urmare, pentru a aplatiza suprafața fără a introduce o distorsiune locală severă, fiecare bulă mediolaterală a fost tăiată la capetele sale laterale din lobul anterior și atât la capetele laterale, cât și la cele medii din lobul posterior (de exemplu, crus I și II). Încercările inițiale de a desface computațional suprafața tăiată fără a o diviza în continuare nu au avut succes, deoarece măsurătorile locale care determină aplatizarea au fost copleșite de dimensiunea enormă a ochiului. Prin urmare, Plasa a fost tăiată în patru bucăți mari și trei bucăți mai mici, care au fost toate aplatizate separat. Partea anterioară a cerebelului a fost tăiată în două bucăți mari fără o tăietură stângă/dreaptă (lobulele I până la V și lobulele V și VI). La fisura mare „posterioară superioară” anterioară crus I, Suprafața a fost împărțită în jumătăți stângi și drepte (inclusiv crus I, fisura orizontală, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB și fisura secundară); capătul anteromedial al fiecăruia dintre aceste plasturi începe la două regiuni paramediene mici în care este expusă substanța albă (fără folie suprapusă). În cele din urmă, cele două parafloculi mai mici („amigdalele”; lobul IX), au fost aplatizate separat, la fel ca vermisul posterior pornind de la punctul în care lobii posteriori au fost tăiați în jumătăți drepte și stângi. Deteriorarea ușoară a floculilor a făcut dificilă recuperarea completă a suprafeței de acolo.
după tăieturi, piesele de suprafață ar putea fi apoi aplatizate, introducând doar o distorsiune locală minimă. Aceasta a dus la o suprafață desfăcută care a fost extinsă foarte mult în direcția anteroposterioară; avea aproape 1 m lungime, dar numai aproximativ 10 cm lățime. Suprafața lobulului VII împreună cu lobul VIII a fost aproape de două ori suprafața totală a lobulilor I până la VI. în schimb, în desfășurările anterioare (13), aceste două regiuni par să aibă zone aproximativ egale din cauza recuperării mai puțin complete a foliei în cerebelul posterior pliat complex.
examinarea geometriei detaliate a lobulilor și foliei a relevat câteva trăsături neașteptate. Pe măsură ce lobulii (desfăcuți) se apropiau de linia mediană, creasta unui lobul cobora uneori într-o fisură din emisfera opusă (Fig. 4, săgeți mari cyan). În plus, deși axele lungi ale foliei au fost uneori aproximativ paralele cu axa lungă a unui lobul, o inspecție a vizualizării foliei (Fig. 2, folia / harta curburii locale; Fig. 4, săgeți mici) arată multe regiuni în care unghiul dintre cele două este la fel de mare ca 45 (de exemplu, lobule V). În timp ce paginau rapid prin felii, a devenit evident că folia individuală se spirala adesea din adâncul unei fisuri până la creasta unui lobul și apoi pe cealaltă parte (Fig. 4, linia punctată groasă).
geometria detaliată a lobulilor și foliei. Crestele lobulare se transformă uneori în fisuri pe linia mediană (săgeți groase albastre/cyan). Axele foliei nu sunt adesea paralele cu axele lobulare (săgeți mici). Linia punctată (mijlocul inferior) conturează un singur foliu care se spiralează din adâncurile unei fisuri peste creasta lobului VI. vermisul este indicat prin linii subțiri punctate. În scanarea inferioară (contrast inversat lung-te, T2*-ponderat), celula granulară (Gri deschis) și straturile moleculare gri închis) se pot distinge de materia albă (albă).
de asemenea, am reconstruit suprafețele nucleelor majore de ieșire ale cerebelului, nucleele dentate. Înainte de desfășurare, aceste nuclee au forma aproximativă a buzunarelor pita cu nervuri. Suprafețele au fost aplatizate folosind o tăietură de relaxare medială (Fig. 2, partea de jos). Suprafața lor totală (stânga și dreapta) măsurată de-a lungul suprafețelor exterioare a fost de 18,6 cm2; aceasta nu include nucleele mult mai mici interpuse și fastigiale. Aceasta oferă un raport areal al cortexului cerebelos la nucleele de ieșire cerebeloase de > 80:1.
pentru a oferi o imagine a modului în care suprafața neocortexului și cerebelului s-au schimbat în evoluția primatelor, am reconstruit, măsurat și desfășurat suprafețele neocorticale și cerebeloase ale unui creier de maimuță macac conservat folosind metode similare (filmul S2). Un creier de maimuță macac îmbibat cu gadoliniu a fost scanat cu o secvență FLASH standard la 4,7 T folosind voxeli izotropi de 0,15-mm3, așa cum s-a descris anterior (18). Cerebelul maimuței macac reconstruit și umflat (vârfuri de 450 K) este prezentat în partea stângă jos a Fig. 2 la aceeași scară ca cerebelul uman. Suprafața totală corectată prin contracție a suprafeței Piale a cerebelului maimuței macac a fost de 90 cm2. Acest lucru este ceva mai mare decât a fost raportat anterior . Pentru comparație, suprafața totală a suprafeței Piale a neocortexului maimuței macac de la același animal a fost de 269 cm2. Astfel, la maimuțele macac, cerebelul are cel puțin 33% din suprafața neocortexului, în timp ce la om, cerebelul are 78% din suprafața neocortexului, ceea ce explică de ce complexitatea plierii cerebelului uman a crescut atât de dramatic. Deși lățimea voxelului a fost ceva mai mică pentru scanarea maimuței, folia la maimuță este substanțial mai mică decât folia la om, astfel încât estimarea suprafeței cerebeloase a maimuței poate fi ușor prea mică. Cu toate acestea, am verificat că toate foliile au fost recuperate prin inspectarea intersecției suprafeței cu fiecare felie.