resultat
vi bestämde oss för att rekonstruera, utveckla och platta hela den mänskliga cerebellära ytan ner till nivån av individuell folia för att kvantitativt mäta dess totala yta, bättre karakterisera dess regionala struktur och ge en full upplösning mänsklig cerebellär baskarta. Även om neuroanatomister länge har gjort schematiska rekonstruktioner av cerebellum, gav landmärkepapperet av Sultan och Braitenberg (12) de första fullständiga manuella rekonstruktionerna av cerebellära ytor hos människor och många andra arter med stereologiska metoder baserade på linjalmätningar av utvalda foliabredder och längder gjorda på provvävnadsblock. Den första detaljerade ytbaserade beräknings-Mr-rekonstruktionen av en levande mänsklig cerebellum använde upprepade skanningar av ett enda ämne som viktades för longitudinell avslappningstid (T1) med 1 mm breda voxlar vid 1.5 T (13). Men eftersom ett folium vanligtvis bara är några mm över, och eftersom folia är så tätt packade mot varandra, gjorde partiella volymeffekter det svårt att helt lösa dem. På senare tid användes 7-T-skanningar med något mindre voxlar för att rekonstruera lobulära ytor av individuell cerebella (14), men partiella volymeffekter förhindrade återigen fullständig återhämtning av alla folia. Som en pragmatisk lösning för visning av in vivo funktionella och strukturella data på cerebellum har det blivit vanligt att använda en yta som fångar det genomsnittliga konvexa skrovet i cerebellum och abstraherar över de finare lobule – och folia-nivådetaljerna (15, 16).
för att tillhandahålla en fullständig, kvantitativ rekonstruktion med hög upplösning av hela den mänskliga cerebellära kortikala ytan som återställer alla folia, skannade vi bevarade cerebellära prover vid 9,4 T med mycket mindre isotropa 0,19 mm breda voxlar vid två eko gånger (TEs) (Fig. 1): en kort TE för att generera protondensitetsvägda (PD) bilder och en lång TE för bilder viktade av tvärgående avslappningstid (T2*). Vi kombinerade bilderna för att avbryta inhomogena spolemottagningsfält, normaliserade resultatet ytterligare med hjälp av analys av funktionella neuroimages (AFNI)-verktyg, kontrastinverterade det och utvidgade sedan den ursprungliga freesurfer-programvaran för att rekonstruera, utveckla och platta hela cerebellär cortex (si-bilaga, kompletterande Text). Vår uppskattning av den totala cerebellära ytan var större än någon tidigare uppskattning, vid 78% av ytan på hela den mänskliga neocortexen.
för att bestämma den maximala voxelstorleken som kan återställa egenskaperna hos den mänskliga cerebellära cortexen ner till nivån av individuell folia, den slutliga bearbetade tredimensionella (3D) datasetet upprepades nedprovades och rekonstruerades igen, och sedan jämfördes de resulterande ytareorna med ytan på den ursprungliga 0,19 mm breda voxelrekonstruktionen. Nedsampling till 0.21 mm voxlar resulterade i endast en 1% förlust av ytan, men 0,28 mm voxlar orsakade en 14% förlust och 0,50 mm voxlar orsakade en 50% förlust (si bilaga, kompletterande Text). Detta tyder på att en fullständig återhämtning av den mänskliga cerebellära ytan till nivån av enskilda folia kräver voxels nästan lika små som de som används här (150 voxels per mm3), vilket resulterade i en tät yta tessellation med nästan 5 miljoner hörn, 25 gånger mer än i en typisk frisurfer cerebral halvklot. Protondensitetsbilderna användes av sig själva för att separat rekonstruera vänster och höger dentatkärnor (eftersom T2*/PD-operationen minskade kontrasten i dentatkärnorna).
för att underlätta jämförelsen illustreras ingångsskivdata och de vikta, utfällda och plana ytorna (inklusive den högra dentatkärnan) i samma skala i Fig. 2. Varje vikad, utfälld och utplattad vy illustreras två gånger, en gång visar det vertexvisa värdet av den genomsnittliga konvexiteten som indikerar de olika lobulerna och sedan igen (omedelbart till höger/nedan) visar den lokala krökningen, som visualiserar vikningen vid nivån av folia. Gröna ytplåster indikerar kronorna på lobules respektive kronorna på folia. Film S1 illustrerar dynamiskt hur lobulerna kommer i sikte när de utvecklas.
cerebellära skivor och vikta, uppblåsta, plana cerebellära ytor, alla i samma skala. Med början längst upp till vänster tesselleras skivbilderna och den resulterande ytan utvecklades, klipptes (uppe till höger) och plattas ut. Varje yta visas två gånger, först färgkodad av FreeSurfer Genomsnittlig konvexitet (”sulc”, som markerar lobules) och sedan av lokal krökning (”curv”, som markerar mycket mindre folia). Längst ner till vänster visas en makak apa cerebellum i samma skala.
den totala ytan av den rekonstruerade pialytan av cerebellär cortex (Fig. 3) var 1 590 cm2 efter korrigering för fixeringsinducerad krympning (si-bilaga, kompletterande Text). Detta är betydligt större än någon tidigare uppskattning. Som jämförelse var den största tidigare uppskattningen 1 128 cm2 rapporterad av Sultan och Braitenberg (12). Tidigare Mr – baserade uppskattningar från in vivo MR-skanningar var enhetligt mycket mindre eftersom enskilda folia inte var helt lösta, vilket noteras av författarna .
rekonstruktion av den mänskliga cerebellumets pialyta i superoposterior vy.
som jämförelse är den totala ytan på de yttre pialytorna på vänster plus höger hjärnhalva hos kvinnliga människor (vilket är 1,2 gånger FreeSurfer ”standardområde” mätt på den gråvita ytan; material och metoder) är 2 038 cm2 (17). Detta innebär att den mänskliga cerebellumets pialytarea är nästan lika stor som hela neocortex, även om cerebellum är ungefär en åttondel av neocortexens volym.
de flesta anatomiska studier av cerebellum har använt schematiska utfällningar och plattningar som inte enhetligt minimerar lokal ytförvrängning. Det visade sig vara förvånansvärt svårt att utveckla och platta den cerebellära kortikala ytan med hjälp av lokala geometribevarande metoder utvecklade för neocortex, eftersom cerebellum har mer Gaussisk (inneboende) krökning än neocortex (13). Till en början kan detta verka kontraintuitivt, eftersom den långsträckta individuella foliaen har en cylindrisk form (mestadels yttre krökning) och därmed till synes bör kunna utvecklas och plattas ut med liten lokal areal/vinkelförvrängning (som att rulla ut en yogamatta). Emellertid delas individuella folia på nivån av cerebellumets mittlinje (vermis) tydligt upp i flera folia när de fortsätter in i cerebellära halvkärmar. Vid halvkärmens sidokanter verkar dessa folia i många fall smälta igen (Fig. 2, platt representation av folia). Under ytinflationsprocessen leder denna komplexa geometri till” bubblor ” som är bundna vid både sidokanten och mittlinjen (Fig. 2, ventrala ovikta vyer och andra halvan av filmen S1). Liksom en sfär har dessa lobulära” bubblor ” en stor mängd inneboende krökning och kan inte blåsas upp ytterligare (eller plattas) utan att orsaka allvarlig snedvridning.
därför, för att platta ytan utan att införa allvarlig lokal arealförvrängning, skars varje mediolateral bubbla lös vid dess laterala ändar i den främre loben och vid både laterala och mittlinjeändar i den bakre loben (t.ex. crus i och II). Initiala försök att beräkna den skurna ytan utan att ytterligare dela upp den misslyckades, eftersom de lokala mätningarna som driver utplattning överväldigades av nätets enorma storlek. Därför skars nätet i fyra stora bitar och tre mindre bitar som alla plattades separat. Den främre delen av cerebellum skars i två stora bitar utan vänster/höger snitt (lobules i till V och lobules V och VI). Vid den stora ”överlägsna bakre” sprickan anterior till crus I delades ytan upp i vänstra och högra halvor (inklusive crus i, den horisontella sprickan, crus II, VIIB, VIIIA, VIIIB och den sekundära sprickan); den anteromediala änden av var och en av dessa fläckar börjar vid två små paramedianska regioner där den vita substansen exponeras (ingen överliggande folia). Slutligen, de två mindre paraflocculi (”tonsillerna”; lob IX), plattades separat, liksom den bakre vermis som började från den punkt där de bakre loberna skars i höger och vänster halvor. Liten skada på flocculi gjorde fullständig återhämtning av ytan där svår.
efter skärningarna kunde ytstyckena sedan plattas ut medan de endast införde minimal lokal arealförvrängning. Detta resulterade i en utfälld yta som förlängdes kraftigt i anteroposteriorriktningen; den var nästan 1 m lång, men bara ungefär 10 cm bred. Ytan på lobule VII tillsammans med lobule VIII var nästan dubbelt så mycket som den totala ytan av lobuler i till VI. i motsats till tidigare utfällningar (13) verkar dessa två regioner ha ungefär lika stora områden på grund av den mindre fullständiga återhämtningen av folia i det komplexa vikta bakre cerebellumet.
undersökning av den detaljerade geometrin hos lobulerna och folia avslöjade flera oväntade funktioner. Som (ovikt) lobules närmade sig mittlinjen, krönet av en lobule ibland ned i en spricka i den motsatta halvklotet (Fig. 4, stora Cyan pilar). Dessutom, även om foliens långa axlar ibland var ungefär parallella med en lobuls långa axel, en inspektion av foliavisualiseringen (Fig. 2, folia / lokal krökningskarta; Fig. 4, små pilar) visar många regioner där vinkeln mellan de två är så stor som 45 kcal (t.ex. lobule V). Medan snabbt personsökning genom skivor, blev det uppenbart att enskilda folia ofta spiral upp från djupt i en spricka till krönet av en lobule och sedan ner på andra sidan (Fig. 4, tjock streckad linje).
detaljerad geometri av lobuler och folia. Lobulära vapen förvandlas ibland till sprickor över mittlinjen (tjocka blå/cyanpilar). Folias axlar är ofta inte parallella med lobulära axlar (små pilar). Den streckade linjen (nedre mitten) skisserar ett enda folium som spiraler upp från djupet av en spricka över toppen av lobule VI. vermis indikeras av tunna prickade linjer. I den nedre skanningen (kontrast-omvänd long-TE, T2*-viktad) kan granulcellen (ljusgrå) och molekylära lager mörkgrå) särskiljas från vit substans (vit).
vi rekonstruerade också ytorna på de viktigaste utgångskärnorna i cerebellum, dentatkärnorna. Innan de utvecklas har dessa kärnor den ungefärliga formen av Ribbade pitafickor. Ytorna plattades ut med hjälp av en medial avslappningsskärning (Fig. 2, botten). Deras totala ytarea (vänster och höger) mätt längs deras yttre ytor var 18,6 cm2; detta inkluderar inte de mycket mindre inlagda och fastigiala kärnorna. Detta ger ett arealt förhållande mellan cerebellär cortex och cerebellära utgångskärnor på >80: 1.
för att ge en ögonblicksbild av hur ytan på neocortex och cerebellum har förändrats i primatutvecklingen rekonstruerade, mätte och utvecklade vi de neokortiska och cerebellära ytorna på en bevarad makakaphjärna med liknande metoder (film S2). En gadolinium-indränkt makak apa hjärnan skannades med en standard FLASH sekvens vid 4.7 T med användning av isotropa 0.15-mm3 voxels, såsom beskrivits tidigare (18). Den rekonstruerade och uppblåsta makaken apa cerebellum (450 K hörn) visas längst ner till vänster om Fig. 2 i samma skala som den mänskliga cerebellum. Den totala krympkorrigerade ytan på pialytan på makakapens cerebellum var 90 cm2. Detta är något större än vad som tidigare rapporterats . Som jämförelse var den totala ytan på pialytan på makakapan neocortex från samma djur 269 cm2. Således, i makakapor, har cerebellum minst 33% av ytan på neocortexen, medan hos människor har cerebellum 78% av ytan på neocortexen, vilket förklarar varför komplexiteten av vikning av det mänskliga cerebellumet har ökat så dramatiskt. Även om voxelbredden var något mindre för apa-skanningen, är folia i Apan väsentligt mindre än folia hos människor, så vår apa cerebellar ytarea uppskattning kan vara något för låg. Ändå verifierade vi att alla folia återhämtades genom att inspektera skärningspunkten mellan ytan med varje skiva.