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Methodenartikel

Faserverbindungen des Ergänzungsmotorenbereichs Revisited: Methodik der Faserdissektion, DTI und Dreidimensionale Dokumentation

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DOI:

10.3791/55681

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23. Mai 2017

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1Department of Neurosurgery, University of Minnesota, 2Department of Neurosurgery, Barrow Neurological Institute, St. Josephs Hospital and Medical Center, 3Department of Radiology, University of Alabama at Birmingham, 4Department of Radiology, University of Minnesota, 5Department of Neurosurgery, Tepecik Training and Research Hospital, 6Department of Neurosurgery, Cerrahpasa Medical School, University of Istanbul

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Der Zweck dieser Studie ist es, jeden Schritt der Faserdissektionstechnik auf menschlichen kadaverischen Gehirnen, die 3D-Dokumentation dieser Sektionen und die Diffusions-Tensor-Bildgebung der anatomisch sezierten Faserwege zu zeigen.

Zusammenfassung

Der Zweck dieser Studie ist es, die Methodik für die Untersuchung der weißen Materie Verbindungen des ergänzenden motor Bereich (SMA) -Komplex (vor-SMA und SMA richtig) mit einer Kombination von Faser-Dissektion Techniken auf kadaverischen Proben und Magnetresonanz (MR ) Traktographie Das Protokoll beschreibt auch das Verfahren für eine weiße Materie Dissektion eines menschlichen Gehirns, Diffusion Tensor Traktographie Bildgebung und dreidimensionale Dokumentation. Die Faserdissektionen auf menschlichen Gehirnen und die 3D-Dokumentation wurden an der Universität von Minnesota, Mikrochirurgie und Neuroanatomy Laboratory, Abteilung für Neurochirurgie durchgeführt. Fünf postmorme menschliche Gehirnproben und zwei ganze Köpfe wurden nach Klinglers Methode hergestellt. Gehirn-Hemisphären wurden Schritt für Schritt von lateral nach medial und medial nach lateral unter einem Operationsmikroskop seziert und 3D-Bilder wurden in jeder Phase erfasst. Alle Dissektionsergebnisse wurden durch Diffusionstensor unterstütztBildgebung Untersuchungen über die Verbindungen im Einklang mit der Fasertrakt-Klassifikation von Meynert, einschließlich Assoziationsfasern (kurzer, überlegener Längsfasciculus I und frontaler Asphaltstraßen), Projektionsfasern (kortikospinales, klaustrokortikales, Cingulum und frontostriatale Traktate) und Kommissurfasern (Kallusalfasern) Auch durchgeführt.

Einleitung

Unter den 14 von Brodmann abgegrenzten Vorstufengebieten ist das vorläufige und präfrontale Gebiet, das vor der präzisen motorischen Kortex liegt, längst als stummes Modul betrachtet worden, obwohl der Stirnlappen eine wichtige Rolle bei Kognition, Verhalten, Lernen, Und Sprachverarbeitung. Neben dem komplementären Motorbereich (SMA) -Komplex, bestehend aus dem vor-SMA und dem SMA-Areal (Brodmann Area; BA 6), das sich medial erstreckt, umfasst das vormotorische / frontale Modul die dorsolaterale Vorfront (BA 46, 8, Und 9), frontopolare (BA 10) und ventrolaterale präfrontale (BA 47) -Kortizes sowie ein Teil des orbitofrontalen Kortex (BA 11) auf der lateralen Oberfläche des Gehirns 1 , 2 .

Der SMA-Komplex ist ein bedeutender anatomischer Bereich, der durch seine Funktionen und seine Verbindungen definiert ist. Die Resektion und die Schädigung dieser Region verursacht erhebliche klinische Defizite, die als SMA bekannt sindSyndrom. Das SMA-Syndrom ist ein wichtiger klinischer Zustand, der besonders bei frontalen Gliomfällen, die den SMA-Komplex enthalten, beobachtet wird. Der SMA-Komplex hat Verbindungen mit dem limbischen System, Basalganglien, Kleinhirn, Thalamus, kontralateralen SMA, überlegenem Parietallappen und Teilen der Frontallappen über Faserbahnen. Die klinische Wirkung der Schädigung dieser weißen Substanzverbindungen kann stärker sein als der Kortex. Dies liegt daran, dass die Folgen einer Verletzung der Kortex im Laufe der Zeit aufgrund der hohen kortikalen Plastizität 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , Daher sollten die SMA-Regionalanatomie und die weißen Materiewege deepl seinVerstanden, insbesondere für die Gliomchirurgie.

Ein umfassendes Verständnis der Anatomie der weißen Materiewege ist für die breitbandige Behandlung von neurochirurgischen Läsionen wichtig. Jüngste Studien über die dreidimensionale Dokumentation der anatomischen Ergebnisse, die in der Mikrochirurgie erhalten wurden, wurden verwendet, um ein besseres Verständnis der topographischen Anatomie und der Wechselbeziehung der Gehirn-Weiß-Materie Wege 13 , 14 zu gewinnen. Daher war der Zweck dieser Studie, die weißen Substanzverbindungen des SMA-Komplexes (vor SMA und SMA richtig) unter Verwendung einer Kombination von Faserdissektionstechniken auf kadaverischen Proben und Magnetresonanztomographie (MRT) -Traktographie zu untersuchen und alle Methoden zu erläutern Und Prinzipien der beiden Techniken und ihre ausführliche Dokumentation.

Planung und Strategie der Studie

Vor der Durchführung der Experimente, ein LiterAture-Suche nach den Grundprinzipien der Faserdissektionen, die Verfahren, die auf Proben vor und während der Sektionen angewendet werden müssen, und alle Verbindungen zwischen SMA-Regionen, die mit Dissektion und DTI aufgedeckt wurden, wurden durchgeführt. Die bisherigen Studien zur anatomischen Lokalisation und Trennung von Prä-SMA- und SMA-richtigen Regionen und zur topographischen Anatomie ihrer Verbindungen wurden überprüft.

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Protokoll

Die Verstorbenen sind hier als Bevölkerung eingeschlossen, obwohl verstorbene Personen keine technisch menschlichen Subjekte sind; Menschliche Subjekte sind definiert durch 45 CF 46 als "lebende Menschen 15 , 16 ".

1. Vorbereitung der Proben

  1. Untersuche 5 formalin-fixierte Gehirne (10 Hemisphären) und 2 ganze menschliche Köpfe.
  2. Fixieren Sie die Proben in einer 10% igen Formalinlösung für mindestens 2 Monate nach Klinglers Methode 17 .
  3. Gefrieren Sie alle Exemplare bei -16 ° C für 2 Wochen nach Klingers Methode 17 .
  4. Die Proben unter Leitungswasser auftauen
  5. Führen Sie eine erweiterte frontotemporale Kraniotomie auf dem kadaverischen Kopf, um das Gehirn zu entlarven.
    1. Legen Sie den Kadaverkopf in eine 3-polige Schädelklemme (Materialtabelle).
    2. Machen Sie einen frontotemporalen Hautschnitt mit einem Skalpell.
    3. Entfernen Sie die Haut und Muskeln mit einem Skalpell, Pinzette und Schere.
    4. Machen Sie ein oder mehrere Gratlöcher im Schädel, bis die Dura mater erreicht ist; Benutzen Sie einen Bohrer mit einem kompakten Geschwindigkeitsreduzierer und einem 14 mm Schädel-Perforator-Aufsatz bei 79.000 U / min (Materialtabelle).
    5. Schneiden Sie die Knochenklappe und öffnen Sie den Schädel mit einem 2 mm x 15,6 mm geriffelten Fräser mit einem 2,1 mm stiftförmigen Grataufsatz bei einer Bohrgeschwindigkeit von 80.000 U / min (Materialtabelle).
  6. Entfernen Sie die Dura, Arachnoidei und Pia mater und zerlegen Sie mit einem Mikrodissektor unter einem Mikroskop bei 6X bis 40X Vergrößerung 5 , 18 (Materialtabelle).

2. Faser-Dissektionstechnik

HINWEIS: Führen Sie alle Sektionen unter 6X bis 40X Vergrößerung auf einem chirurgischen Mikroskop.

  1. Führen Sie die Faserdissektionen schrittweise auf jede Hemisphäre ausVon lateral bis medial und medial bis lateral.
    1. Decorticate die Hirnrinde unter Verwendung eines Panfield-Dissektors (Materialtabelle) und entfernen Sie alle frontalen kortikalen Gewebe, um die kurzen Assoziationsfaser-Traktate, die U-Fasern oder Intergyralfasern, die benachbarten Gyri 5 , 13 verbinden, freizulegen.
    2. Entfernen Sie die kurzen Assoziationsfasern mit einem Panfield-Dissektor und einem chirurgischen Mikrohaken, indem Sie sanft unter dem Mikroskop (Materialtabelle) schneiden, um die langen Assoziationsfasern zu erreichen und zu entlarven, die entfernte Bereiche in derselben Halbkugel miteinander verbinden.
    3. Gehen Sie tief in die langen Assoziationsfasern, um die oberflächlichen Assoziationsfasern mit einem chirurgischen Mikrohaken und einem Panfield-Dissektor zu entfernen; Entfernen Sie jedes Faserbündel unter einem Mikroskop (Materialtabelle), um die Projektionskommissuralfasern freizulegen.
    4. Zeigen Sie jede der Verbindungen des SMA-Komplexes anNach der topographischen Anatomie, die zuvor in der Literatur 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 definiert wurde.
  2. Halten Sie alle Exemplare (ganze Köpfe und Gehirne), die während der Sektionen in 10% Formaldehydlösung (Materialtabelle) zwischen den Dissektionsperioden verwendet wurden.

3. 3D-Fotografie-Technik

  1. Verwenden Sie eine schwarze Farbe Plattform während der Fotografie der Proben.
  2. Folge einer 3D-Fotografie Technik 22 .
    1. Legen Sie jedes Exemplar in eine gestaltete schwarze Farbplattform.
    2. Wählen Sie eine Szene mit einer Voll-Frontalansicht des Exemplars aus und nehmen Sie einen Schuss, indem Sie die Kamera auf einen beliebigen Punkt auf der Probe in der Nähe des Mittelpunkts auf dem Kamerabildschirm (Instrumentenregisterkarte) fokussierenLe). Verwenden Sie ein 18- bis 55-mm-f / 3.5-5.6 SLR-Objektiv oder ein 100 mm f / 2.8L Makroobjektiv und stellen Sie die Blende auf F29, ISO 100.
    3. Drehen Sie die Kamera etwas nach links, bis der am weitesten rechts liegende Punkt auf dem Kamerabild der gleiche wie der Fokussierungspunkt ist. Schieben Sie die Kamera nach rechts, bis der Mittelpunkt auf dem Bildschirm den ursprünglichen Fokussierungspunkt auf der Probe überlappt. Konzentriere die Kamera auf diesen Punkt und nehme einen weiteren Schuss.
    4. Halten Sie den Abstand und die Achse der Kamera auf die Probe, die mit konstanten Werten fotografiert wird.
  3. Erstellen Sie ein 3D-Bild mit einem 3D-Bildgeneratorprogramm (Materialtabelle).
    1. Öffnen Sie das 3D-Softwareprogramm.
    2. Wählen Sie "Stereo-Bilder aus Datei öffnen".
    3. Wählen Sie die beiden Bilder (links und rechts) und stellen Sie sicher, dass das linke Bild im linken Steckplatz ist und das rechte Bild im rechten Steckplatz ist.
    4. Wähle die Option "Half Color Anaglyph RL / 2" und generiere die Anaglyph im JPEG-Format.

4. DTI-Technik

  1. Erfassen Sie vorverarbeitete Diffusionsdaten unter Verwendung der Human Connectome Project Diffusionsdaten 23, indem Sie sie von der referenzierten Website herunterladen.
    HINWEIS: Die Daten werden vorverarbeitet und bestehen aus den folgenden Prozeduren: Die Diffusionsdaten wurden bei normalen Freiwilligen unter Verwendung eines modifizierten 3 T-MRI-Geräts (Instrumententisch) unter Verwendung einer Spin-Echo-Echo-Planar-Imaging- (EPI-) Sequenz mit Multi- Bandbildbeschleunigung 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Relevante Sequenzparameter umfassen: TR = 5,520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matrix = 168 x 144; Schichtdicke = 1,25 mm (Voxelgröße 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Multibandfaktor = 3; Und b-Werte = 1.000 s / mm 2 (95 Richtungen), 2.000 s / mm 2 (96 Richtungen) und 3.000 s / mm2 (97 Richtungen). Die Daten wurden dann unter Verwendung von FreeSurfer 29 und FSL 30 verarbeitet; Der Prozess beinhaltete die Wirbelstromkorrektur, die Bewegungskorrektur, die B0-Intensitätsnormalisierung, die Empfindlichkeitsverzerrungskorrektur und die Gradienten-Nichtlinearitätskorrektur 28 , 31 , 32 , 33 . Entsprechende T1-gewichtete MP-RAGE-Bilder sind ebenfalls im Download-Paket enthalten. Die Vorgehensweisen sind im Handbuch des Human Connectome Projektes dokumentiert.
  2. Veröffentlichen Sie die Diffusionsdaten mit dem Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 , um eine geschätzte voxelweise Diffusionsorientierungsverteilungsfunktion (ODF) zu erzeugen, die einen verallgemeinerten q-Sampling Imaging (GQI) Algorithmus 35 verwendet.
    1. Laden Sie den heruntergeladenen Datensatz in die Software von sel"STEP1: Open Source Bilder" und wählt die Datei data.nii.gz aus.
    2. Wählen Sie die Schaltfläche "STEP2: Rekonstruktion". Nach der Überprüfung der Gehirnmaske fahren Sie mit "Schritt 2" fort und wählen "GQI" als Rekonstruktionsmethode. Wählen Sie "r ^ 2 Gewichtung" mit einem "Längenverhältnis" von "1.0". Lassen Sie die restlichen Selektionen als Standard.
    3. Wählen Sie "Rekonstruktion ausführen".
  3. Platzieren Sie geeignete Samen für Regionen von Interesse, um die Faserverfolgung zu rationalisieren.
    1. Im "Region-Fenster" klicken Sie auf die "Atlas" -Taste, um Samen für den überlegenen Längsfasciculus (SLF) zu setzen. "Wählen Sie" Brodmann "und fügen Sie" Region 6 "und" Region 7. "hinzu. Stellen Sie im Bereichsfenster den Typ "Region 6" auf "Seed" und den "Region 7" -Typ auf "region-of-inclusions" (ROI).
      1. Wählen Sie im Bereichsfenster "Neue Region" und manuell einen ROIIm hintersten Aspekt des überlegenen frontalen Gyrus in der koronalen Ebene. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    2. Setzen Sie Samen für SLF II in ähnlicher Weise, indem Sie "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung der "Samen" Region in den hinteren Aspekt der mittleren frontalen Gyrus weißen Materie in der koronalen Ebene. Wählen Sie einen ROI mit "Atlas" (wie in Schritt 4.3.1) und Brodmann-Regionen 9, 10, 46, 39 und 19. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    3. Setzen Sie Samen für SLF III mit einer "Samen" Region, mit "Atlas" (wie in Schritt 4.3.1) in der Region Fenster und wählen Sie "Region 40" des Brodmann Atlas und der ROI aus "Atlas ..." in "Region 40 "Und" Region 44. " Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    4. Setzen Sie Samen für Callosal Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung ein "Samen" in der Sagittal-Ebene, die thE corpus callosum Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    5. Setzen Sie Samen für Cingulate Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung einer "Samen" Region in der Mitte-cingulären Gyrus auf die koronale Ansicht. Benutze "New Region", um zwei ROIs zu zeichnen, eine im vorderen Cingulat und eine im hinteren cingulären Gyrus unter koronaler Sicht. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    6. Setzen Sie Samen für klaustrokortikale Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung ein "Samen" in der claustrum mit einem ROI in der corona radiata mit der "Atlas ..." -Funktion. Wähle den Atlas als "JHU-WhiteMatter-Etiketten-1mm".
      1. Wählen Sie und fügen Sie die "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" und "Superior_corona_radiata" hinzu. Zeichnen Sie eine Region der Vermeidung für alle Fasern, die durch eine Ebene unterhalb der Ebene des claustrum in der axialen Ebene mit "New Region"Im Bereichsfenster. Führen Sie die Faserverfolgung durch, wie in Schritt 4.4 beschrieben.
    7. Setzen Sie Samen für den Kortikospinaltrakt mit einem "Samen" aus der "Atlas ..." -Funktion in der Region Fenster; Wählen Sie "JHU-WhiteMatter-Etiketten-1mm" und fügen Sie die Region "Corticospinal_tract" hinzu. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    8. Setzen Sie Samen für den frontalen Asphalt (FAT) mit einer "Samen" Region aus der "Atlas ..." -Funktion in der Region Fenster und wählen Sie die Brodmann-Atlas und "Region 6" ROIs in "Region 44" und "Region 45. " Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
    9. Setzen Sie Samen für den Frontostriattrakt (FST) mit einem "Samen" in "Region 6" mit der Funktion "Atlas ...". Setzen Sie neue Regionen in die "Caudate", "putamen" und "Globus pallidus" aus dem "HarvardOxfordSub" Atlas und legen Sie den Typ in der Region Fenster zu "Ende."
      HINWEIS: Die Faserverfolgung für FST erfolgt durch Auswahl des Sektors der Region 6 und nur eines der subkortikalen Samen pro Tracking-Sitzung ( dh Region 6 und der Caudat, gefolgt von Region 6 und Putamen und zuletzt Region 6 und Globus) Pallidus).
      1. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 für jede Kombination beschrieben durch.
  4. Führen Sie die Faserverfolgung für jede der oben genannten Kombinationen durch.
    1. Im Fenster "Optionen" legen Sie die Verfolgungsparameter als: Terminationsindex von qa von 0,08, Winkelschwelle von 75, Schrittweite von 0,675, Glättung von 0,2, Mindestlänge von 20 mm und einer maximalen Länge von 200 mm fest. Wähle die Seed-Orientierung als "All", die Samenposition als "Subvoxel" und randomisierte Seeding als "On". Verwenden Sie die trilineare Richtungsinterpolation mit einem Streamline (Euler) Tracking Algorithmus. Für jede Kombination von Regionen oben, wählen Sie "Run tracking" in der & #34; Fiber Tracts "Fenster.
      ANMERKUNG: Aufgrund der randomisierten Art der Verfolgung werden klare "falsche Fasern" identifiziert und selektiv entfernt, wobei die Regionen der Vermeidung von Hand als "Neue Region" gezeichnet werden.
  5. Affine registriert den in den Human-Connectome-Projektdatensatz enthaltenen gehirn-extrahierten T1-gewichteten 3D-MP-RAGE-Scan mit den Funktionen "Slices -> Insert T1 / T2 Images" von DSI-Studio. Erzeugen Sie eine Oberflächenwiedergabe des Gehirns, indem Sie "Slices -> Isosurface hinzufügen" auswählen. Verwenden Sie eine "Schwelle" von 665.

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Ergebnisse

Der SMA-Komplex befindet sich im hinteren Teil des oberen frontalen Gyrus. Die Grenzen des SMA-Komplexes sind der vorläufige Sulcus nach hinten, der obere frontale Sulcus inferior-lateral und der cinguläre Sulcus minderwertig-medial 18 . Der SMA-Komplex besteht aus zwei Teilen: die Vor-SMA anteriorly und die SMA gleich nach hinten 18 . Es gibt Unterschiede in Bezug auf die weißen Stoffverbindungen und die Funktion zwischen diesen beiden Tei...

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Diskussion

Die Bedeutung von und Study Techniken für die White Matter Pathways

Die Hirnrinde wird als eine primäre neuronale Struktur akzeptiert, die mit 2,5 Millionen Jahren menschlichen Lebens verbunden ist. Etwa 20 Milliarden Neuronen haben sich in verschiedene Teile auf der Grundlage morphologischer und zellulärer Spezifikation getrennt. Die Architektur jedes dieser kortikalen Teile ist funktionell subgruppiert, wie sensomotorischer Sinn und Bewegung, emotionales Erlebnis und komplexe Argumentation. E...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen und keine Quellen für die Finanzierung und Unterstützung, einschließlich aller für Ausrüstung und Medikamente.

Danksagungen

Die Daten wurden zum Teil vom Human Connectome Project, dem WU-Minn-Konsortium (Principal Investigators: David Van Essen und Kamil Ugurbil, 1U54MH091657), gefördert von den 16 NIH Instituten und Zentren, die den NIH Blueprint für Neuroscience Research unterstützen, Und durch das McDonnell Center für Systems Neuroscience an der Washington University. Die Fig. 2A und 2D wurden mit Genehmigung aus der Rhoton-Sammlung 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899) wiedergegeben.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
%4 Paraformaldehyd-LösungAFFYMETRIX, Inc.2046C208zur Fixierung
GefrierschrankINSIGNANS-CZ70WH6zum Einfrieren
Panfield DissectorAESCULAPFD305zur Dissektion
Chirurgische MikroschereW. Lorenz04-4238zur Fehlsektion
Chirurgischer MikrohakenV. MüllerNL3785-009zur Fehlpräparation
MIKROGEFÄSSSTRECKER/ DILATORW. Lorenz04-4324zur Miskrodision
Emax2 SC 2000 Elektrische KonsoleAnspach CompaniesSC2102zur Schädelentfernung
BohrersetAnspach CompaniesNS-CZ70WH6zur Schädelentfernung
20-1000 OperationsmikroskopMoeller-Wedel,DeutschlandFS 4-20zur Miskrodierung
Canon EOS 550D 18 MP CMOS APS-C Digital SLR KameraCanon Inc.DS126271zum Fotografieren
EF 100 mm f/2.8L IS USM MakroobjektivCanon Inc.4657A006zum Aufnehmen von Fotos
MR-14EX II Macro Ring Lite (Flash)Canon Inc.9389B002zum Fotografieren
StativLino Manfrotto322RC2zum Fotografieren
MAYFIELD Infinity Skull ClampIntegra Inc.A0077zur Befestigung des Kopfes
Modifizierter Skrya 3T "Connectome" ScannerSiemens Company, Inc.A911IM-MR-15773-P1-4A00zum Scannen von DTI
XstereO PlayerYury GolubinskyVersion 3.6(22)zum Erstellen von Anaglyphen
EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS II SLR ObjektivCanon Inc.2042B002zum Fotografieren
Skalpell6B INVENT7-104-Lzum Einschneiden
Kompakter GeschwindigkeitsreduziererAnspach UnternehmenCSR60zum Herstellen eines Gratlochs
14 mm SchädelperforatorAnspach UnternehmenCPERF-14-11-3Fzum Herstellen eines Fräslochs
2 mm x 15,6 mm Geriffelter OberfräserAnspach UnternehmenA-CRN-Mzum Erstellen von Kraniotomie
2,1 mm stiftförmige GrateAnspach Companies03.000.130Szur Herstellung von Kraniotomie
verwendet

Referenzen

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