Оптические соединения дополнительной моторной зоны: методология волоконного рассечения, DTI и трехмерной документации
Summary
Цель этого исследования – показать каждый шаг техники рассечения волокон на человеческом трупе мозга, трехмерную документацию этих вскрытий и визуализацию тензора диффузии анатомически расчлененных путей волокон.
Abstract
Цель этого исследования – показать методологию исследования соединений белого вещества комплекса дополнительной моторной области (SMA) (собственно до SMA и SMA) с использованием комбинации методов рассечения волокон на трупных образцах и магнитного резонанса (MR ) Трактография. Протокол также будет описывать процедуру рассечения белого вещества головного мозга человека, визуализацию тензорной картины диффузии и трехмерную документацию. Разделение волокон на человеческий мозг и 3D-документацию проводились в Университете Миннесоты, лаборатории микрохирургии и нейроанатомии отделения нейрохирургии. Пять посмертных образцов головного мозга человека и две целых головы были приготовлены в соответствии с методом Клинглера. Полушария головного мозга были разделены шаг за шагом от латерального до медиального и медиального к латеральному под операционным микроскопом, и трехмерные изображения были захвачены на каждом этапе. Все результаты вскрытия подтверждались тензором диффузииизображения. Исследования на соединениях в соответствии с классификацией волоконного тракта Мейнерта, включая соединительные волокна (короткие, верхние продольные фасцикулы I и фронтальные асцены), проекционные волокна (кортикоспинальные, клаустрокортикальные, цингулы и фронтостриальные трассы) и комиссуральные волокна (каллозальные волокна) Также проводится.
Introduction
Среди 14 лобных областей, определенных Бродманном, премоторная и префронтальная области, расположенные перед прецентральной моторной корой, долгое время считались молчащим модулем, несмотря на то, что лобная доля играет важную роль в познании, поведении, обучении, И обработки речи. В дополнение к дополнительному району двигательной области (SMA), состоящему из пред-SMA и собственно SMA (область Brodmann, BA 6), который простирается медиально, предмоторный / фронтальный модуль включает дорсолатеральный префронтальный (BA 46, 8, И 9), фронтополярной (ВА 10) и вентролатеральной префронтальной (ВА 47) коры, а также части орбитофронтальной коры (ВА 11) на боковой поверхности мозга 1 , 2 .
Комплекс SMA представляет собой значительную анатомическую область, которая определяется его функциями и соединениями. Резекция и повреждение этого региона вызывают значительные клинические дефициты, известные как SMAсиндром. Синдром SMA является важным клиническим состоянием, которое особенно наблюдается при лобно-глиомных случаях, которые содержат SMA комплекс 3 . Комплекс SMA имеет связи с лимбической системой, базальными ганглиями, мозжечком, таламусом, контралатеральной SMA, верхней париетальной лопастью и частями лобных долей по волокнистым трактам. Клинический эффект повреждения этих соединений белого вещества может быть более серьезным, чем для коры головного мозга. Это объясняется тем, что последствия повреждения коры могут быть улучшены с течением времени из-за высокой кортикальной пластичности 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Таким образом, региональная анатомия SMA и пути белого вещества должны быть deeplY понял, в частности, для хирургии глиомы.
Всестороннее понимание анатомии путей белого вещества важно для широкого спектра лечения нейрохирургических поражений. Недавние исследования трехмерной документации анатомических результатов, полученных в микрохирургии, были использованы для лучшего понимания топографической анатомии и взаимосвязи между путями белого вещества мозга 13 , 14 . Поэтому целью этого исследования было изучение соединений белого вещества комплекса SMA (собственно до SMA и SMA) с использованием комбинации методов рассечения волокон на трупных образцах и магниторезонансной томографии (MRI) и объяснения всех методов И принципов обоих методов и их подробной документации.
Планирование и стратегия обучения
Перед проведением экспериментов литрПроводили поиск по основным принципам вскрытия волокна, проводили процедуры, которые должны быть применены к образцам до и во время вскрытия, и проводились все связи между регионами SMA, которые были выявлены с помощью вскрытия и DTI. Были рассмотрены предыдущие исследования по анатомической локализации и отделению областей, предназуемых SMA и SMA, и топографической анатомии их соединений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Важность и методы исследования для путей белого вещества
Кора головного мозга воспринимается как главная нервная структура, связанная с 2,5 миллионами лет жизни человека. Приблизительно 20 миллиардов нейронов разделились на различные части, основанные на морфологической…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Данные были частично предоставлены проектом «Коннекшен человека», консорциумом WU-Minn (главные исследователи: Дэвид Ван Эссен и Камил Угурбил, 1U54MH091657), финансируемый 16 институтами и центрами NIH, которые поддерживают NIH Blueprint для исследования нейронов; И Центром McDonnell по неврологии в Вашингтоне. Рисунки 2A и 2D были воспроизведены с разрешения коллекции Rhoton 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899).
Materials
| %4 Paraformaldehyde Solution | AFFYMETRIX, Inc. | 2046C208 | used to fixation |
| Freezer | INSIGNA | NS-CZ70WH6 | used to freez |
| Panfield Dissector | AESCULAP | FD305 | used to dissection |
| Surgical Micro Scissor | W. Lorenz | 04-4238 | used to miscrodissection |
| Surgical Micro Hook | V. Mueller | NL3785-009 | used to miscrodissection |
| MICRO VESSEL STRETCHER/DILATOR | W. Lorenz | 04-4324 | used to miscrodissection |
| Emax2 SC 2000 Electric Console | Anspach Companies | SC2102 | used to craniatomy |
| Drill Set | Anspach Companies | NS-CZ70WH6 | used to craniatomy |
| 20-1000 operating microscope | Moeller-Wedel,Germany | FS 4-20 | used to miscrodissection |
| Canon EOS 550D 18 MP CMOS APS-C Digital SLR Camera | Canon Inc. | DS126271 | used to take photos |
| EF 100mm f/2.8L IS USM Macro Lens | Canon Inc. | 4657A006 | used to take photos |
| MR-14EX II Macro Ring Lite (Flash) | Canon Inc. | 9389B002 | used to take photos |
| Tripod | Lino Manfrotto | 322RC2 | used to take photos |
| MAYFIELD Infinity Skull Clamp | Integra Inc. | A0077 | used to fix the head |
| Modified Skrya 3T "Connectome" Scanner | Siemens Company, Inc. | A911IM-MR-15773-P1-4A00 | used to scan DTI |
| XstereO Player | Yury Golubinsky | Version 3.6(22) | used to create anaglyphs |
| EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS II SLR Lens | Canon Inc. | 2042B002 | used to take photos |
| Scalpel | 6B INVENT | 7-104-L | used to make incision |
| Compact Speed Reducer | Anspach Companies | CSR60 | used to make burr hole |
| 14 mm Cranial Perforator | Anspach Companies | CPERF-14-11-3F | used to make burr hole |
| 2 mm x 15.6 mm Fluted Router | Anspach Companies | A-CRN-M | used to make craniotomy |
| 2.1 mm Pin-shaped Burrs | Anspach Companies | 03.000.130S | used to make craniotomy |
Referências
- Nieuwenhuys, R., Voogd, J., Huijzen, C. V. . The Human Central Nervous System. , 620-649 (2008).
- Catani, M., Acqua, F., Vergani, F., Malik, F., Hodge, H. Short frontal lobe connections of the human brain. Cortex. 48, 273-291 (2012).
- Duffau, H., Capelle, L. Preferential brain locations of low-grade gliomas. Cancer. 100 (12), 2622-2626 (2004).
- Yasargil, M. G., Türe, U., Yasargil, D. C. Impact of temporal lobe surgery. J Neurosurg. 101 (05), 725-738 (2004).
- Türe, U., Yasargil, M. G., Friedman, A. H., Al-Mefty, O. Fiber dissection technique: lateral aspect of the brain. Neurosurgery. 47 (2), 417-427 (2000).
- Burger, P. C., Heinz, E. R., Shibata, T., Kleihues, P. Topographic anatomy and CT correlations in the untreated glioblastoma multiforme. J Neurosurg. 68 (5), 698-704 (1998).
- Duffau, H. New concepts in surgery of WHO grade II gliomas: Functional brain mapping, connectionism and plasticity-a review. J Neurooncol. 79 (1), 77-79 (2006).
- Vergani, F., et al. White matter connections of the supplementary motor area in humans. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 85 (12), 1377-1385 (2014).
- Luppino, G., Matelli, M., Camarda, R., Rizzolatti, G. Corticocortical connections of area F3(SMA-proper) and area F6(pre-SMA)in the macaque monkey. J. Comp.Neurol. 338, 114-140 (1993).
- Akkal, D., Dum, R. P., Strick, P. L. Supplementary motor area and presupplementary motor area: targets of basal ganglia and cerebellar output. J. Neurosci. 27, 10659-10673 (2007).
- Behrens, T. E. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat. Neurosci. 6, 750-757 (2003).
- Potgieser, A. R. E., de Jong, B. M., Wagemakers, M., Hoving, E. W., Groen, R. J. M. Insights from the supplementary motor area syndrome in balancing movement initiation and inhibition. Frontiers in Human Neuroscience. 28 (8), 960 (2014).
- Yagmurlu, K., Vlasak, A. L., Rhoton Jr, A. L. Three-Dimensional Topographic Fiber Tract Anatomy of the Cerebrum. Neurosurgery. 2, 274-305 (2015).
- Fernández-Miranda, J. C., Rhoton Jr, ., L, A., Álvarez-Linera, J., Kakizawa, Y., Choi, C., de Oliveira, E. P. Three-dimensional microsurgical and tractographic anatomy of the white matter of the human brain. Neurosurgery. 62 (6 Suppl 3), 989-1026 (2008).
- Couzin, J. Crossing a frontier: Research on the dead. Science. 299 (5603), 29-30 (2003).
- . University of Minnesota. Research Ethics Available from: https://www.ahc.umn.edu/img/assets/26104/Research (2016)
- Ludwig, E., Klingler, J. Der innere Bau des Gehirns dargestellt auf Grund makroskopischer Präparate. The inner structure of the brain demonstrated on the basis of macroscopical preparations. Atlas cerebri humani. , 1-36 (1956).
- Bozkurt, B. The Microsurgical and Tractographic Anatomy of the Supplementary Motor Area Complex in Human. J World Neurosurg. 95, 99-107 (1956).
- Lehericy, S. 3-D diffusion tensor axonal tracking shows distinct SMA and pre-SMA projections to the human striatum. Cereb Cortex. 14, 1302-1309 (2004).
- Duffau, H. Intraoperative mapping of the cortical areas involved in multiplication and subtraction: an electrostimulation study in a patient with a left parietal glioma. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 73 (6), 733-738 (2002).
- Kinoshita, M. Role of fronto-striatal tract and frontal aslant tract in movement and speech: an axonal mapping study. Brain Struct Funct. 220 (6), 3399-3412 (2015).
- Shimizu, S. Anatomic dissection and classic three-dimensional documentation: a unit of education for neurosurgical anatomy revisited. Neurosurgery. 58 (5), E1000 (2006).
- . Connectome Database Available from: https://db.humanconnectome.org (2016)
- Moeller, S. Multiband multislice GE-EPI at 7 tesla, with 16-fold acceleration using partial parallel imaging with application to high spatial and temporal whole-brain fMRI. Magn Reson Med. 63 (5), 1144-1153 (2010).
- Feinberg, D. A. Multiplexed Echo Planar Imaging for sub-second whole brain fMRI and fast diffusion imaging. PLoS One. 5, e15710 (2010).
- Setsompop, K. Blipped-controlled aliasing in parallel imaging for simultaneous multislice echo planar imaging with reduced g-factor penalty. Magn Reson Med. 67 (5), 1210-1224 (2012).
- Xu, J. Highly accelerated whole brain imaging using aligned-blipped-controlled-aliasing multiband EPI. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2306 (2012).
- Glasser, M. F. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. Neuroimage. 80, 105-124 (2013).
- Jenkinson, M., Bannister, P. R., Brady, J. M., Smith, S. M. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).
- Andersson, J. L., Skare, S., Ashburner, J. How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging. NeuroImage. 20 (2), 870-888 (2003).
- Andersson, J., Xu, J., Yacoub, E., Auerbach, E., Moeller, S., Ugurbil, K. A comprehensive Gaussian process framework for correcting distortions and movements in diffusion images. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2426 (2012).
- Yeh, F. C., Wedeen, V. J., Tseng, W. Y. Generalized q-sampling imaging. IEEE Trans Med Imaging. 29 (9), 1626-1635 (2010).
- Makris, N. Segmentation of subcomponents within the superior longitudinal fascicle in humans: a quantitative, in vivo DT-MRI study. Cereb Cortex. 15 (6), 854-869 (2005).
- Fernández-Miranda, J. C., Rhoton, A. L., Kakizawa, Y., Choi, C., Alvarez-Linera, J. The claustrum and its projection system in the human brain: a microsurgical and tractographic anatomical study. J Neurosurg. 108 (4), 764-774 (2008).
- Maier, M. A., Armand, J., Kirkwood, P. A., Yang, H. W., Davis, J. N., Lemon, R. N. Differences in the corticospinal projection from primary motor cortex and supplementary motor area to macaque upper limb motoneurons:an anatomical and electrophysiological study. Cereb. Cortex. 12, 281-296 (2002).
- Picard, N., Strick, P. L. Imaging the premotor areas. Curr. Opin. Neurobiol. 11, 663-672 (2001).
- Pakkenberg, B., Gundersen, H. J. G. Neocortical neuron number in humans: effect of sex and age. Journal of Comparative Neurology. 384 (2), 312-320 (1997).
- Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 237-294 (1965).
- Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 585-644 (1965).
- Goldman-Rakic, P. S. Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex. Annu Rev Neurosci. 11 (1), 137-156 (1988).
- Mesulam, M. M. From sensation to cognition. Brain. 121 (6), 1013-1052 (1998).
- Mesulam, M. Large-scale neurocognitive networks and distributed processing for attention, language, and memory. Ann Neurol. 28 (5), 597-613 (1990).
- Schmahmann, J. D., Pandya, D. N. . Fiber pathways of the brain. 8, 393-409 (2006).
- Bammer, R., Acar, B., Moseley, M. E. In vivo MR tractography using diffusion imaging. Eur J Radiol. 45 (3), 223-234 (2003).
- Catani, M., Howard, R. J., Pajevic, S., Jones, D. K. Virtual in vivo interactive dissection of white matter fasciculi in the human brain. Neuroimage. 17 (1), 77-94 (2002).
- Lin, C. P., Wedeen, V. J., Chen, J. H., Yao, C., Tseng, W. Y. I. Validation of diffusion spectrum magnetic resonance imaging with manganese-enhanced rat optic tracts and ex vivo phantoms. Neuroimage. 19 (3), 482-495 (2003).
- Bello, L., Acerbi, F., Giussani, C., Baratta, P., Taccone, P., Songa, V. Intraoperative language localization in multilingual patients with gliomas. Neurosurgery. 59 (1), 115-125 (2006).
- Bernstein, M. Subcortical stimulation mapping. J Neurosurg. 100 (3), 365 (2004).
- Ackermann, H., Riecker, A. The contribution(s) of the insula to speech production: a review of the clinical and functional imaging literature. Brain Struct Funct. 214, 419-433 (2010).
- Krainik, A. Role of the healthy hemisphere in recovery after resection of the supplementary motor area. Neurology. 62, 1323-1332 (2004).
- Ford, A., McGregor, K. M., Case, K., Crosson, B., White, K. D. Structural connectivity of Broca’s area and medial frontal cortex. Neuroimage. 52, 1230-1237 (2010).
- Catani, M., Mesulam, M. M., Jakobsen, E., Malik, F., Martersteck, A., Wieneke, C., Thompson, C. K., Thiebaut de Schotten, M., Dell’Acqua, F., Weintraub, S., Rogalski, E. A novel frontal pathway underlies verbal fluency in primary progressive aphasia. Brain. 136, 2619-2628 (2013).
- Rech, F., Herbet, G., Moritz-Gasser, S., Duffau, H. Disruption of bimanual movement by unilateral subcortical electrostimulation. Human Brain Mapping Annual Meeting. 35 (7), 3439-3445 (2014).
