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Neuroscience

Connexions à la fibre de la zone de moteur supplémentaire revisitée: Méthodologie de la dissémination des fibres, de la DTI et de la documentation tridimensionnelle

Published: May 23, 2017 doi: 10.3791/55681
Automatic Translation
1, 2, 3, 4, 1, 5, 1, 6, 1
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

Summary

Le but de cette étude est de montrer chaque étape de la technique de dissection de la fibre sur le cerveau cadavérique humain, la documentation 3D de ces dissections et l'imagerie du tenseur de diffusion des voies de fibres anatomiquement disséquées.

Abstract

Le but de cette étude est de montrer la méthodologie pour l'examen des connexions de la matière blanche du complexe de la zone motrice supplémentaire (SMA) (pré-SMA et SMA proprement dit) en utilisant une combinaison de techniques de dissection de fibres sur des spécimens cadavériques et une résonance magnétique (MR ) Tractographie. Le protocole décrira également la procédure pour une dissection de matière blanche d'un cerveau humain, une imagerie tractographique de tenseur de diffusion et une documentation tridimensionnelle. Les dissections de fibres sur les cerveaux humains et la documentation en 3D ont été réalisées à l'Université du Minnesota, Laboratoire de micro-chirurgie et neuro-anatomie, Département de neurochirurgie. Cinq spécimens de cerveaux humains post-mortem et deux têtes entières ont été préparés conformément à la méthode de Klingler. Les hémisphères cérébrales ont été disséqués étape par étape de latérale à médiale et médiale à latérale sous un microscope opérationnel, et les images 3D ont été capturées à chaque étape. Tous les résultats de dissection ont été soutenus par un tenseur de diffusionImagerie. Les enquêtes sur les connexions en fonction de la classification des fibres de Meynert, y compris les fibres d'association (fascicules longs, supérieurs longitudinaux longitudinaux I et frontal), les fibres de projection (corticospinal, claustrocortical, cingulum et tractus frontalier) et les fibres commissurales (fibres callosales) Également menée.

Introduction

Parmi les 14 zones frontales délimitées par Brodmann, la zone prémotorale et préfrontale qui se trouve devant le cortex moteur précentral a longtemps été considérée comme un module silencieux, bien que le lobe frontal joue un rôle important dans la cognition, le comportement, l'apprentissage, Et traitement de la parole. En plus du complexe supplémentaire de la zone moteur (SMA), constitué par le pré-SMA et le SMA proprement dit (Brodmann Area, BA 6) qui s'étend à l'intérieur du médium, le pré-moteur / module frontal comprend le préfrontal dorsolatéral (BA 46, 8, Et 9), le fronttopolaire (BA 10) et les corticules ventriculaires préfrontaux (BA 47), ainsi qu'une partie du cortex orbitofrontal (BA 11) sur la surface latérale du cerveau 1 , 2 .

Le complexe SMA est une zone anatomique significative qui est définie par ses fonctions et ses connexions. La résection et les dégats de cette région entraînent des déficits cliniques importants connus sous le nom de SMAsyndrome. Le syndrome de SMA est un état clinique important qui est particulièrement observé dans les cas de gliome frontal qui contiennent le complexe SMA 3 . Le complexe SMA a des connexions avec le système limbique, les ganglions de base, le cervelet, le thalamus, le SMA contralatéral, le lobe pariétal supérieur et des portions des lobes frontaux par voie fibreuse. L'effet clinique des dommages à ces connexions de la matière blanche peut être plus sévère que le cortex. C'est parce que les conséquences d'une blessure au cortex peuvent être améliorées au fil du temps en raison de la plasticité corticale élevée 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Par conséquent, l'anatomie régionale SMA et les voies de la matière blanche devraient être modifiéesY compris, en particulier pour la chirurgie du gliome.

Une compréhension globale de l'anatomie des voies de la matière blanche est importante pour le traitement large spectre des lésions neurochirurgicales. Des études récentes de la documentation tridimensionnelle des résultats anatomiques qui ont été obtenus en microchirurgie ont été utilisées pour mieux comprendre l'anatomie topographique et l'interrelation des voies de la matière blanche cérébrale 13 , 14 . Par conséquent, le but de cette étude était d'examiner les connexions de la matière blanche du complexe SMA (pré-SMA et SMA proprement dit) en utilisant une combinaison de techniques de dissection de fibres sur des spécimens cadavériques et une tractographie par résonance magnétique (IRM) et pour expliquer toutes les méthodes Et les principes des deux techniques et leur documentation détaillée.

Planification et stratégie d'étude

Avant d'effectuer les expériences, un litreLes procédures qui doivent être appliquées aux spécimens avant et pendant les dissections, ainsi que toutes les connexions entre les régions SMA qui ont été révélées avec dissection et DTI ont été menées. Les études précédentes sur la localisation anatomique et la séparation des régions pré-SMA et SMA et sur l'anatomie topographique de leurs connexions ont été examinées.

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Protocol

Le défunt est inclus ici en tant que population, bien que les personnes décédées ne soient pas des sujets techniquement humains; Les sujets humains sont définis par 45 CF 46 comme "êtres humains vivants 15 , 16 ".

1. Préparation des spécimens

  1. Examinez 5 cerveaux fixés au formol (10 hémisphères) et 2 têtes humaines entières.
  2. Fixer les spécimens dans une solution de 10% de formol pendant au moins 2 mois selon la méthode de Klingler 17 .
  3. Geler tous les spécimens à -16 ° C pendant 2 semaines conformément à la méthode 17 de Klinger.
  4. Décongeler les spécimens sous l'eau du robinet.
  5. Effectuez une craniotomie frontotemporelle étendue sur la tête cadavérique pour exposer le cerveau.
    1. Placez la tête cadavérique dans une pince à cran à trois broches ( Tableau des matériaux).
    2. Faire une incision frontotemporelle avec un scalpel.
    3. Retirez la peau et les muscles en utilisant un scalpel, une pince et des ciseaux.
    4. Faire un ou plusieurs trous de rebord dans le crâne jusqu'à ce que la dure-mère soit atteinte; Utilisez une perceuse avec un réducteur de vitesse compact et une fixation de perforateur crânien de 14 mm à 79 000 tr / min ( Tableau des matériaux).
    5. Couper le volet osseux et ouvrir le crâne à l'aide d'un routeur cannelé de 2 mm x 15,6 mm avec une attache de broche en forme de broche de 2,1 mm à une vitesse de forage de 80 000 tr / min ( tableau des matériaux).
  6. Retirez la dureté, l'arachnoïde et la pia-mère et dissérez à l'aide d'un microdissecteur sous un microscope à un grossissement 6, 40 à 40X ( Tableau des matériaux).

2. Technique de dissémination des fibres

REMARQUE: Effectuez toutes les dissections sous un grossissement 6X à 40X sur un microscope chirurgical.

  1. Effectuez les dissections de fibres de manière par étapes sur chaque hémisphèreRe, de latéral à médiale et de médiale à latérale.
    1. Décortez le cortex cérébral à l'aide d'un dissecteur de panneaux ( Tableau des matériaux) et enlevez tous les tissus corticaux frontaux pour exposer les fragments de fibres d'association courtes, qui sont des fibres U ou des fibres intergrigues qui interconnectent les gyri voisins 5 , 13 .
    2. Enlevez les fibres de l'association courte avec un dissecteur de panneaux et un micro-crochet chirurgical en garnissant doucement au microscope ( Tableau des matériaux) pour atteindre et exposer les fibres d'association longues, qui interconnectent des zones éloignées dans le même hémisphère.
    3. Profondez dans les fibres d'association longues pour éliminer les fibres d'association superficielle à l'aide d'un micro-crochet chirurgical et d'un dissecteur de pannes; Enlevez chaque faisceau de fibres sous un microscope ( tableau des matériaux) pour exposer les fibres commissurales de projection.
    4. Voir chacune des connexions du complexe SMASelon l'anatomie topographique précédemment définie dans la littérature 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Gardez tous les spécimens (têtes entières et cerveaux) qui ont été utilisés pendant les dissections dans une solution à 10% de formaldéhyde ( Tableau des matériaux) entre les périodes de dissection.

3. Technique de photographie 3D

  1. Utilisez une plate-forme de couleur noire pendant la photographie des spécimens.
  2. Suivez une technique de photographie 3D 22 .
    1. Placez chaque spécimen dans une plate-forme de couleur noire conçue.
    2. Sélectionnez une scène avec une vue frontale complète de l'échantillon et prenez un coup en concentrant la caméra sur n'importe quel point de l'échantillon proche du point central sur l'écran de la caméra (onglet de l'instrumentLe). Utilisez une lentille SLR de 18 à 55 mm f / 3.5-5.6 ou une lentille macro de 100 mm f / 2.8L et réglez l'ouverture sur F29, ISO 100.
    3. Faites pivoter la caméra légèrement vers la gauche jusqu'à ce que le point le plus à droite de l'écran de la caméra soit identique au point de focalisation ci-dessus. Faites glisser l'appareil photo vers la droite jusqu'à ce que le point central de l'écran chevauche le point de focalisation d'origine sur l'échantillon. Concentrez la caméra sur ce point et prenez une autre photo.
    4. Maintenir la distance et l'axe de la caméra à l'échantillon photographié à des valeurs constantes.
  3. Créez une image 3D en utilisant un programme de générateur d'images 3D (Tableau des matériaux).
    1. Ouvrez le programme logiciel 3D.
    2. Choisissez "Ouvrir les images stéréo à partir du fichier".
    3. Sélectionnez les deux images (gauche et droite) et assurez-vous que l'image de gauche se trouve dans la fente de gauche et que l'image de droite se trouve dans l'emplacement de droite.
    4. Sélectionnez l'option "Half Anaglyph couleur RL / 2" et générez l'anaglyphe en format jpeg.

    4. Technique DTI

    1. Acquérir des données de diffusion pré-traitées en utilisant les données de diffusion du projet Human Connectome 23 en le téléchargeant sur le site référencé.
      REMARQUE: Les données sont téléchargées préalablement traitées et se composent des procédures suivantes: Les données de diffusion ont été acquises chez des volontaires normaux à l'aide d'un appareil IRM 3 T modifié (table d'instruments) en utilisant une séquence d'imagerie planaire d'écho spin-echo (EPI) avec multi- Accélération d'image de bande 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Les paramètres de séquence pertinents comprennent: TR = 5 520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matrice = 168 x 144; Épaisseur de la couche = 1,25 mm (taille du voxel 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Facteur multibandes = 3; Et valeurs b = 1000 s / mm 2 (95 directions), 2 000 s / mm 2 (96 directions) et 3 000 s / mm2 (97 directions). Les données ont ensuite été traitées en utilisant FreeSurfer 29 et FSL 30 ; Le processus comprenait la correction du courant de Foucault, la correction du mouvement, la normalisation de l'intensité b0, la correction de la distorsion de la sensibilité et la correction de la gradient-non linéarisation 28 , 31 , 32 , 33 . Les images MP-RAGE pondérées T1 correspondent également au paquet de téléchargement. Les procédures sont documentées dans le manuel de procédures du Projet Human Connectome 23 .
    2. Post-processer les données de diffusion en utilisant Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 pour générer une fonction de distribution d'orientation de diffusion voxel (ODF) estimée utilisant un algorithme d'imagerie par échantillonnage q généralisé (GQI) 35 .
      1. Chargez l'ensemble de données téléchargé dans le logiciel par selEcting "STEP1: Open source images" et en sélectionnant le fichier data.nii.gz.
      2. Sélectionnez le bouton "STEP2: Reconstruction". Après avoir vérifié le masque cérébral, passez à "Étape 2" et sélectionnez "GQI" comme méthode de reconstruction. Sélectionnez "r ^ 2 weighting" avec un "ratio de longueur" de "1.0". Laissez les sélections restantes comme valeur par défaut.
      3. Sélectionnez "Exécuter la reconstruction".
    3. Placez les graines appropriées pour les régions d'intérêt pour rationaliser le suivi des fibres.
      1. Dans la "Fenêtre Région", cliquez sur le bouton "Atlas" pour placer les graines pour le fascicule longitudinal supérieur (SLF). Sélectionnez "Brodmann" et ajoutez "Région 6" et "Région 7." Dans la fenêtre de la région, définissez le type "Région 6" sur "semence" et le type "Région 7" à "région d'inclusions" (ROI).
        1. Sélectionnez "Nouvelle région" dans la fenêtre de la région et créez un ROI manuellementDans l'aspect le plus postérieur du gyrus frontal supérieur dans le plan coronaire. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      2. Placez des graines pour SLF II de manière similaire en utilisant «Nouvelle Région» dans la fenêtre de la région et en dessinant la région «semence» dans l'aspect postérieur de la matière blanche centrale du gyrus frontal dans le plan coronaire. Choisissez un ROI en utilisant «Atlas» (comme à l'étape 4.3.1) et les régions Brodmann 9, 10, 46, 39 et 19. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      3. Placez des graines pour SLF III avec une région "semence", en utilisant «Atlas» (comme à l'étape 4.3.1) dans la fenêtre de la région et choisissez «Région 40» de l'atlas de Brodmann et le ROI de «Atlas ...» dans «Région 40 "Et" Région 44 ". Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      4. Placez les graines pour les fibres callosales à l'aide de la «Nouvelle Région» dans la fenêtre de la région et tirez une «semence» dans le plan sagittal englobantE corpus callosum. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      5. Placez des graines pour des fibres cingulées en utilisant «Nouvelle Région» dans la fenêtre de la région et établissez une région «semence» dans le gyrus médian-cingulaire sur la vue coronal. Utilisez "Nouvelle Région" pour dessiner deux ROI, un dans le cingulaire plus antérieur et un dans le gyrus cingulaire postérieur sous la vue coronal. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      6. Placez des graines pour les fibres claustrocortiques en utilisant la "Nouvelle Région" dans la fenêtre de la région et en dessinant une "semence" dans le claustro avec un ROI dans la corona radiata en utilisant la fonction "Atlas ...". Sélectionnez l'atlas comme "JHU-WhiteMatter-labels-1mm".
        1. Sélectionnez et ajoutez "anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" et "Superior_corona_radiata". Dessinez une région d'évitement pour toutes les fibres passant par un plan inférieur au niveau du claustrum dans le plan axial en utilisant "Nouvelle Région"Dans la fenêtre de la région. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      7. Placez des graines pour le tube cortico-spinale en utilisant une "graine" de la fonction "Atlas ..." dans la fenêtre de la région; Sélectionnez "JHU-WhiteMatter-labels-1mm" et ajoutez la région "Corticospinal_tract". Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      8. Placez les graines pour le tractus d'asphalte frontal (FAT) en utilisant une région "semence" de la fonction "Atlas ..." dans la fenêtre de la région et en sélectionnant l'atlas de Brodmann et les ROI de la «Région 6» dans la «Région 44» et la «Région 45». " Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4.
      9. Placez des graines pour le tractus frontalier (FST) avec une «semence» dans la «Région 6» en utilisant la fonction «Atlas ...». Insérer de nouvelles régions dans le "caudate", "putamen" et "globus pallidus" de l'atlas "HarvardOxfordSub" et définir le type dans la fenêtre de la région pour "fin"."
        REMARQUE: Le suivi des fibres pour la FST sera effectué en sélectionnant la graine de la Région 6 et une seule des graines sous-corticales par session de suivi ( c.-à-d. La région 6 et le caudat, suivie de la région 6 et du putamen, et enfin de la région 6 et du globus Pallidus).
        1. Effectuez le suivi des fibres comme décrit à l'étape 4.4 pour chaque combinaison.
    4. Effectuez le suivi des fibres pour chacune des combinaisons ci-dessus.
      1. Dans la fenêtre "Options", définissez les paramètres de suivi comme: indice de terminaison de qa de 0,08, seuil angulaire de 75, taille de 0,675, lissage de 0,2, longueur minimale de 20 mm et longueur maximale de 200 mm. Sélectionnez l'orientation de la semence comme "Tout", la position de la semence comme "Subvoxel", et aléatoirez le semis comme "On". Utilisez une interpolation de direction trilinéaire avec un algorithme de suivi de rationalisation (Euler). Pour chaque combinaison de régions ci-dessus, choisissez "Exécuter le suivi" dans le & #34; Fiber Tracts ".
        NOTE: En raison de la nature aléatoire du suivi, les «fausses fibres» sont identifiées et éliminées sélectivement, avec des régions d'évitement tirées à la main comme une «Nouvelle Région».
    5. Affine enregistre le scanner MP-RAGE 3D pondéré T1 extrait au cerveau fourni dans les données du projet Human Connectome Project aux données de diffusion en utilisant la fonction "Slices -> Insérer T1 / T2 Images" de DSI-Studio. Générer un rendu de surface du cerveau en sélectionnant "Tranches -> Ajouter une surface isosurface". Utilisez un "seuil" de 665.

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Representative Results

Le complexe SMA est situé dans la partie postérieure du gyrus frontal supérieur. Les bordures du complexe SMA sont le sillon précentral postérieurement, le sulcus frontal supérieur inférieur-latéralement et le sillon cingulé inférieur-médian 18 . Le complexe SMA se compose de deux parties: la pré-SMA antérieurement et la SMA postérieurement 18 . Il existe des différences en termes de connexions de la matière blanche et de fonction entre ces deux parties 18 ( Figure 1A et B ). Nous avons étudié les connexions corticales et sous-corticales de ces deux parties en utilisant la dissection de fibres et les techniques DTI et les avons montré en images 3D.

Association Fibres du Complexe SMA

L'élimination du cortex du lobe frontal exposait les fibres de l'association courte, tLes soi-disant U-fibres, qui interconnectent le gyri voisin 18 ( figure 1C ). Les fibres d'association courte du complexe SMA fournissent des connexions entre le complexe SMA et le cortex moteur postérieurement et entre le complexe SMA et le cortex pré-frontal antérieurement 18 ( Figure 2B ). Ils fournissent également des connexions entre le pré-SMA et le SMA proprement dit dans le complexe SMA. Les fibres d'association longues les plus superficielles sont le fascicule II longitudinal supérieur (SLF II) et la partie opératoire frontale du SLF III 13 , 36 ( figure 2A ). Nous avons retiré le SLF II et le SLF III juste devant le sillon précentral pour exposer le tractus frontal (FAT), qui interconnecte le gyrus frontal supérieur et le gyrus frontal inférieur ( Figure 2B ). La FAT est une fibre d'association superficielle qui provient de la pré-SMA et de l'interopérabilitéCularis.

Au cours de la dissection FAT, il est essentiel de distinguer anatomiquement le FAT des fibres corona radiata, qui se déroulent parallèlement dans le plan vertical. Comme la littérature l'indique, les fibres FAT se déplacent obliquement de la région SMA vers le gyri frontal inférieur et deviennent superficielles dans pars opercularis 2 . Cependant, d'autres fibres corona radiata et claustrocortical courent profondément les ganglions basaux sans être superficiellement 18 ( Figure 2C , 3C et 3D ).

Une autre association de fibre du complexe SMA est SLF I, qui relie le lobe pariétal supérieur au lobe frontal supérieur (complexe SMA) et au cortex cingulaire antérieur sur le côté médian de l'hémisphère 18 , 36 . La dissection de SLF I a été réalisée à l'échelle deAprès la décortication de la surface médiale de l'hémisphère ( figure 2A , 3A et 3B ).

Fibres commissurales du complexe SMA

La principale voie de la fibre commissure est les fibres callosales, qui relient le complexe SMA au complexe contralatéral SMA. Les fibres callosales sont placées entre les fibres de la corona rayonnée, du cingulum et du SLF I et traversent la ligne médiane par le biais du corpus callosum pour atteindre le complexe de SMA contralatéral ( Figure 2A , 4A et 4B ).

Fibres de projection du complexe SMA

Les fibres de projection se composent de 4 groupes de fibres différents liés au complexe SMA: les fibres de cingulum, les fibres claustrocortiques, le tractus frontocitriatal etTube cortico-spinale. Les fibres cingulaires proviennent de la surface médiale de l'hémisphère pour former le cingulum et courir dans le gyrus cingulaire. La fonction de ces fibres est de fournir des connexions entre le complexe SMA et le système limbique 18 ( Figure 2A et 4C ).

La répartition des bordures des fibres claustrocortiques est le bord antérieur de la pré-SMA antérieurement et la partie postérieure du lobe pariétal postérieurement ( Figure 2D et 4D ). Par conséquent, les fibres issues du claustre se terminent dans toutes les zones complexes SMA (pré-SMA et SMA proprement dites) 37 .

Le tractus frontalier (FST) relie le complexe SMA et le striatum dorsal ( c.-à-d. Noyau caudé et putamen) et se déplace entre les c externes et internes cApsules 18 ( figure 3C et 3D ). Il est difficile de distinguer le FST des autres fibres internes de la capsule ( p. Ex. Les pédoncules thalamiques, les fibres frontopontines, etc.), ainsi que d'autres fibres dans le plan vertical ( p. Ex. FAT et autres fibres corona radiata) lors de l'utilisation du Technique de dissection de fibres. Néanmoins, Grande et al. A utilisé la technique DTI pour démontrer que les fibres FST issues du complexe SMA se terminent dans les capsules externes et internes 18 . Environ 10% des fibres corticales de la colonne vertébrale proviennent de la SMA proprement dite et se terminent dans la moelle épinière, mais ces fibres ne proviennent pas de la pré-SMA 38 ( Figure 4E ).

Figure 1
Figure 1: Lateral etSurface médiane de la vue du lobé frontal gauche. Les illustrations 2D étiquetées accompagnent chaque illustration 3D du côté gauche. Vue latérale de l'hémisphère gauche: SMA propre (violet) et pré-SMA (vert); Le complexe SMA est situé dans la partie postérieure du gyrus frontal supérieur, juste devant le gyrus précentrique ( A ). Vue médiale de l'hémisphère gauche. Une ligne verticale imaginaire au niveau de la commissure antérieure, perpendiculaire à la ligne qui se trouve entre les commissures antérieures et postérieures, est la bordure entre le SMA propre (violet) et le pré-SMA (vert) ( B ) 39 . Après la vue décortication. La décortication expose les fibres d'association courtes, appelées "fibres U". Les fibres U relient le gyri voisin l'un à l'autre, comme le pré-SMA au SMA proprement dit et le SMA propre au cortex moteur ( C ). Cliquez ici s'il vous plaitPour afficher une version plus grande de cette figure.

Figure 1
Figure 2: Dissection fibreuse latérale à médiale. Les illustrations 2D étiquetées accompagnent chaque illustration 3D du côté gauche. Vue latérale; Le SLF II s'étend entre le gyrus angulaire et le gyrus frontal moyen et se termine par le pars opercularis et par triangles. Le SLF III relie le gyrus supramarginal et le pars triangularis dans l'opércole frontoparietal. Vue médiane; Le SLF I relie le lobe pariétal supérieur au cortex cingulaire antérieur et la surface médiale du gyrus frontal supérieur, qui comprend le complexe SMA ( A ). Après avoir retiré une partie de SLF II au niveau coronal, la FAT a été exposée ( B ). Les fibres FAT se déplacent obliquement de la région SMA vers le gyri frontal inférieur et deviennent superficiellesDans le pars opercularis. D'autres fibres corona radiata courent profondément dans les ganglions basaux sans être superficielle ( C ). Un autre spécimen montrant la limite exposée de la distribution des fibres claustrocortiques sur la zone corticale, qui se situe entre la partie antérieure du pré-SMA et la partie postérieure du lobe pariétal ( D ). Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 1
Figure 3 : étude DTI des connexions SMA. Fibres SLF observées sur une tranche sagittale ( A ) et une tranche coronale ( B ) sur DTI. SLF I (jaune); SLF II (orange); SLF III (turquoise). Relation entre FAT (vert) et FST (bleu) sagittal ( C ) et coronal ( D Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 1
Figure 4 : étude DTI des connexions SMA. Les fibres callosales sont observées sur une tranche coronale ( A ) et une tranche sagittale ( B ) sur DTI. Les fibres cingulaires (rouge) ( C ), les fibres claustrocortiques (orange) ( D ) et le tube corticoïdal (violet) ( E ), comme on le voit sur des tranches sagittales sur DTI. Cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

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Discussion

L'importance et les techniques d'étude pour les voies de la matière blanche

Le cortex cérébral est accepté comme une structure neuronale principale associée à 2,5 millions d'années de vie humaine. Environ 20 milliards de neurones se sont séparés en différentes parties en fonction de la spécification morphologique et cellulaire 40 . L'architecture de chacune de ces parties corticales a été fonctionnellement sous-groupée, comme le sens sensoriel et le mouvement, l'expérience émotionnelle et le raisonnement complexe. Il a été déterminé que tous les comportements dans les primates ont été formés par des connexions anatomo-fonctionnelles uniques et des régions réparties topographiquement dans les zones corticales et sous-corticales du système nerveux. Bien que le cortex cérébral ait été étudié en détail, il subsiste un manque de connaissance sur les voies de la matière blanche du système nerveux qui relient différentes zones. Des domaines tels que centrum semiovale et corona radiata ont été sTudied avant sous une vue macroscopique. Au cours des années 1800, les chercheurs ont effectué la dissection grossière de singes en utilisant des matières colorantes à la myéline et des méthodes d'autoradiographie qui ont été appliquées avec l'aide d'acides aminés pour comprendre le système de fibre de matière blanche. Certaines fibres d'association majeures, telles que le cingulum et le fasciculus unciné, ont été identifiées et nommées avec ces études. D'autre part, l'identification d'autres voies de la matière blanche, telles que le fascicule arc / fascicule longitudinal supérieur et le fascicule longitudinal inférieur, est encore contradictoire dans la littérature 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

Une compréhension des structures de la matière blanche est très importante pour fournir des détails sur les processus anatomiques du comportement de haut niveau et la structure et la fonction du cerveau. UNEUne compréhension plus profonde des voies de la matière blanche est également essentielle pour les objectifs cliniques. De nombreuses maladies sont causées par des lésions affectant les voies de la matière blanche. Auparavant, il n'existait pas de technique unique et appropriée qui pourrait être utilisée pour décrire les voies de la fibre, malgré les améliorations apportées aux techniques d'imagerie radiologique. La technique de dissection de la fibre cadavérique, qui est la technique la plus ancienne, était la méthode idéale pour l'éducation neuroanatomique des jeunes neurochirurgiens et la meilleure norme parmi les techniques de tractographie basées sur l'imagerie tensorielle de diffusion, la tractographie MR, la tractographie du spectre de diffusion et l'autoradiographie. Les parcelles de fibres peuvent être visualisées in vivo avec l'IRM; Cependant, l'inconvénient de cette technique est la difficulté de déterminer la terminaison et l'origine des voies de la fibre. La technique autoradiographique ne peut être utilisée que dans des animaux expérimentaux. Une connaissance de l'anatomie du tractus fibreux est essentielle pour mieux comprendre le cognitif, le psycHiatriques et motrices suite à des troubles de la substance blanche tels que la sclérose en plaques.

La plasticité existe dans la matière grise, mais pas dans la matière blanche; Tout dommage péri-opératoire sur la matière blanche entraîne des déficits irréversibles chez le patient (Schmahmann et al. ). Cela rend l'anatomie des voies de la fibre plus précieuse en neurochirurgie 46 . Lors de la planification chirurgicale préopératoire pour l'élimination des lésions intra-axiales, la localisation et le déplacement des voies fibreuses importantes, telles que le fasciculus arqué, les rayonnements optiques et les voies cortico-spinales, doivent être pris en considération pour une opération réussie. Les connaissances anatomiques, ainsi que la tractographie pré-opératoire MR, fournissent une évaluation sonore et une planification chirurgicale pour chaque patient. En attendant, la dissection de la fibre cadavérique sous le microscope opérationnel aide à améliorer les compétences de la main-d'œuvre du chirurgien et à mieux comprendre le complexeEn anatomie en trois dimensions. Pour atteindre ces gains, le chirurgien devrait passer du temps dans un laboratoire de microchirurgie. Il / elle ne devrait se concentrer que sur les traces de fibres pendant la dissection, plutôt que sur ce qu'il / elle aimerait voir. D'autre part, aujourd'hui, les améliorations apportées aux techniques d'imagerie DTI ont permis d'identifier les voies fibreuses majeures in vivo , tant dans le cerveau normal que dans les situations cliniques où le système fibreux est affecté. Initialement, cette méthode n'a fourni aucune information sur les régions de démarrage et de terminaison des principaux faisceaux de fibres et n'a été efficace que dans la définition des extensions. Cependant, avec le développement de la tractographie MR et de l'imagerie par spectre de diffusion (DSI), des mesures importantes ont été prises pour comprendre l'anatomie du cerveau normale dans les études cliniques in vivo 47 , 48 , 49 . Au cours des dernières années, il a été suggéré que la cartographie des voies de la matière blancheEst très critique pour prévenir les déficits postopératoires. Il est également utile d'effectuer une cartographie électrique intra-opératoire de la matière blanche pour aider à protéger les structures subcorticales importantes et leurs fonctions 50 , 51 . Par conséquent, l'anatomie de la région frontale et des voies de la matière blanche doit être bien comprise pour la chirurgie du gliome frontal.

Caractéristiques anatomiques et importance clinique du complexe SMA

La ligne de bordure macro-anatomique entre le pré-SMA et le SMA proprement dit est acceptée comme une ligne imaginaire verticale passant par le niveau de la commissure antérieure 18 , 39 . En outre, la pré-SMA et la SMA proprement dite ont des différences en termes de fonctions. Bien que la SMA proprement dite ait des tâches somatotopiques, la pré-SMA a une organisation somatosensorielle 19 . Fondamentalement, la SMA proprement dite est responsableE activation, contrôle et génération de mouvement, tandis que la pré-SMA est responsable des tâches cognitives et non-motrices 8 .

Les patients atteints de lésions de la pré-SMA présentent des degrés divers d'atteinte à la parole, allant de l'incapacité totale d'initier la parole ( c'est-à-dire le mutisme) à une maîtrise de la maîtrise de la maîtrise 52 . Comme cela serait prédit par les données de stimulation électrique neurochirurgicale, la résection ou l'endommagement du complexe SMA produirait une réponse motrice négative dans les fonctions motrice et vocale et entraînerait éventuellement un syndrome SMA. Le syndrome de SMA est un syndrome d'initiation neurochirurgie complexe allant de la perte totale de la production motrice et de la parole, comme le mutisme kinétique, la diminution des mouvements spontanés et la parole 18 , 53 . Par conséquent, les connexions sous-corticales des fibres du complexe SMA jouent un rôle important dans la planification chirurgicale.

The Fiber Tracts of the SMA Complex

Dans cette étude, nous avons étudié toutes les connexions du complexe SMA, telles que FAT, FST, fibres d'association courte, SLF I, fibres callosales, fibres de cingulum et fibres claustrocortiques à l'aide de dissection de fibres cadavériques et de techniques DTI définies dans la littérature dans Les années récentes 8 , 13 , 18 . Nous avons montré et soutenu nos résultats de dissection de fibres via DTI. Cependant, il est difficile de séparer certaines voies de la matière blanche de projection, telles que la FST et le tube cortico-spinal (CST) provenant d'autres faisceaux de fibre rayonnante corona par dissection anatomique. Par conséquent, nous avons pu montrer l'anatomie topographique de ces deux faisceaux de fibres plus efficacement via DTI. En outre, la possibilité d'étudier in vitro et d'afficher des faisceaux de fibres profondes en détail sont les autres avantages de l'étude DTI.

Le SLF I est une longue fibre d'association qui relie le préconde (lobe pariétal supérieur) au complexe SMA et au cortex cingulé. SLF I a des fonctions liées à la fois au système limbique, en se connectant au cortex cingulaire antérieur et au système moteur, en se connectant au lobe pariétal supérieur 13 , 18 , 36 , 54 .

Les parties postérieures du gyrus frontal supérieur et inférieur s'interconnectent avec un système direct qui se compose de la FAT, qui a été nouvellement définie à l'aide de techniques DTI 2 , puis avec des techniques de dissection de fibres 18 . La projection de cette voie est dans le pré-SMA et SMA propre au gyrus frontal supérieur et au pars opercularis dans le gyrus frontal inférieur 18 . Ford et al. Connectivité structurelle démontrée entre le SMA et leBroca pour la première fois, en soutenant le rôle fonctionnel de la SMA en tant que cortex de traitement de la parole 55 . En plus du SLF I, le FAT est une voie directe reliant le pars opercularis au cingule antérieur et pré-SMA, comme l'indiquent les résultats de cette étude. Catani et al. A défini le FAT par DTI et a signalé que l'atrophie corticale des zones de connexion FAT sur le complexe SMA (pré-SMA et partie antérieure de la SMA proprement dite) et le cingulaire antérieur chez les patients atteints d'aphasie progressive primaire peuvent entraîner des troubles de la fluidité verbale 46 . Des études antérieures ont indiqué que la FAT peut également être associée à des difficultés d'initiation à la parole et aux dysfonctionnements de la parole 22 .

Le FST est constitué de fibres de projection qui relient le pré-SMA et le striatum ( c.-à-d. Noyau caudé et putamen). Dans les études précédentes, les points de terminaison de la FST dans le ga basalNglia n'était pas très claire. Cependant, il a également été démontré dans des études récentes de DTI complètes que le FST provient de la pré-SMA et se termine dans la capsule interne et dans la surface latérale du putamen 20 , 21 , 22 . En plus de cela, dans une autre étude DTI, il a été démontré que le FST se termine à la fois sur les surfaces latérales et médiales du putamen 18 . Fonctionnellement, Duffau et al. Anatomie démontrée et / ou cessation de mouvement pendant la stimulation électrique directe intra-opératoire du putamen, dont le mécanisme est le plus probable dans les connexions putaminales du FST 21 .

Le tractus cortico-spinale relie le cortex moteur propre et primaire à la moelle épinière, mais le pré-SMA n'a pas de fibres du tube cortico-intestinal 24 . Dans une étude d'électrostimulation par Duffao > Et al. , Une arrêt du mouvement a été observé en stimulant la région SMA dans le membre supérieur contralatéral. On pense que cela peut se produire en raison de la connexion de la SMA avec la moelle épinière par le tractus cortico-torqueux et le SMA contralatéral par les fibres callosées 18 , 56 .

Les fibres claustrocortiques se connectent entre le claustrum dans le noyau central et une large région entre le bord antérieur de la pré-SMA et la partie postérieure du lobe pariétal 13 . D'une manière fonctionnelle, on pense que les fibres claustrocortiques jouent un rôle dans la conscience et dans la coordination de l'information provenant de la région corticale visuelle, du système limbique et des corticus somatosensoriels et moteurs 27 . Par conséquent, on pensait que les faisceaux de fibres claustrocortiques entre le complexe SMA et le claustrum pourraient jouer un rôle dans l'exécution d'un contrôle moteur et de la parole plus élevé> 18.

Bien qu'il ait été indiqué dans des études antérieures que la connexion du complexe SMA avec le gyrus cingulaire est effectuée par des fibres d'association courtes, dans une récente étude anatomique, on a constaté que ces connexions sont fournies directement par des fibres cingulaires 18 . Sur le plan fonctionnel, on a prétendu que cette voie a un rôle dans le traitement moteur de la stimulation émotionnelle négative entre la SMA et le cortex limbique 18 .

Au cours des dernières années, l'importance clinique du complexe SMA ( p. Ex. Syndrome de SMA et réponse motrice négative) a été révélée par un nombre croissant d'études d'électrostimulation. Par conséquent, l'importance de l'anatomie topographique et des connexions sous-corticales de la SMA a été progressivement mise en évidence. Il est essentiel de mieux comprendre l'anatomie topographique, en particulier par le biais d'études anatomiques en 3D, et d'utiliser les caractéristiques cliniques de ces connexions pour planifier la chirurgie.

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Disclosures

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent et aucune source de financement et de soutien, y compris tout matériel et médicament.

Acknowledgments

Les données ont été fournies en partie par le projet Human Connectome Project, WU-Minn Consortium (chercheurs principaux: David Van Essen et Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), financé par les 16 instituts et centres du NIH qui soutiennent le plan directeur NIH pour la recherche en neuroscience; Et par le McDonnell Center for Systems Neuroscience à l'Université de Washington. Les figures 2A et 2D ont été reproduites avec l'autorisation de la collection Rhoton 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
%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 100 mm 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

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Neuroscience Numéro 123 Zone de moteur supplémentaire dissection de fibre tractographie du tenseur de diffusion documentation tridimensionnelle voies de la matière blanche fibres d'association fibres commissurales fibres de projection
Connexions à la fibre de la zone de moteur supplémentaire revisitée: Méthodologie de la dissémination des fibres, de la DTI et de la documentation tridimensionnelle
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Bozkurt, B., Yagmurlu, K.,… More

Bozkurt, B., Yagmurlu, K., Middlebrooks, E. H., Cayci, Z., Cevik, O. M., Karadag, A., Moen, S., Tanriover, N., Grande, A. W. Fiber Connections of the Supplementary Motor Area Revisited: Methodology of Fiber Dissection, DTI, and Three Dimensional Documentation. J. Vis. Exp. (123), e55681, doi:10.3791/55681 (2017).

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