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Neuroscience

Connessioni a fibre della zona motori aggiuntiva Revisited: Metodologia della discizione a fibre, DTI e documentazione tridimensionale

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

Lo scopo di questo studio è quello di mostrare ogni fase della tecnica di dissezione della fibra sui cervelli cadaverici umani, la documentazione 3D di queste dissezioni e l'immagine di tensori di diffusione dei percorsi di fibra disciolata anatomicamente.

Abstract

Lo scopo di questo studio è quello di mostrare la metodologia per l'esame dei collegamenti di materia bianca del complesso SMA (SMA), utilizzando una combinazione di tecniche di dissezione in fibra su campioni cadaverici e risonanza magnetica (MR ) Tractografia. Il protocollo descriverà anche la procedura per la dissezione di una materia bianca di un cervello umano, la tachimetria della tensura di diffusione e la documentazione tridimensionale. Le discezioni di fibre sui cervelli umani e la documentazione 3D sono state eseguite presso l'Università del Minnesota, Microchirurgia e Laboratorio di Neuroanatomia, Dipartimento di Neurochirurgia. Cinque esemplari di cervello umano postmortem e due teste intere sono state preparate secondo il metodo di Klingler. Gli emisferi del cervello sono stati dissected passo dopo passo dal laterale al mediale e mediale a laterale sotto un microscopio operativo, e le immagini 3D sono state catturate in ogni fase. Tutti i risultati della dissezione sono stati supportati da tensore di diffusioneimaging. Sono state effettuate indagini sulle connessioni in linea con la classificazione di Meynert nella fibra, tra cui fibre di associazione (brevi, superiori longitudinali fascicolari I e tratti frontali), fibre di proiezione (corticospinali, claustro-corticali, cingoli e tratti frontostriatali) e fibre commissurali (fibre callosali). Condotta anche.

Introduction

Tra le 14 aree frontali delineate da Brodmann, il premotore e l'area prefrontale che si trova davanti alla corteccia motore precentrale è da tempo considerato come un modulo silenzioso, nonostante il lobo frontale svolge un ruolo importante nella conoscenza, nel comportamento, nell'apprendimento, E l'elaborazione vocale. Oltre al complesso supplementare di motori (SMA), costituito dal pre-SMA e dalla SMA (Area Brodmann, BA 6) che si estende medialmente, il modulo pre-motore / frontale include il prefrontale dorsolaterale (BA 46, 8, E 9), frontopolare (BA 10) e cortice prefrontali ventrolaterali (BA 47), nonché parte della corteccia orbitofrontale (BA 11) sulla superficie laterale del cervello 1 , 2 .

Il complesso SMA è un'area anatomica significativa definita dalle sue funzioni e dalle sue connessioni. La resezione e il danno di questa regione causano notevoli deficit clinici noti come SMAsindrome. La sindrome di SMA è una condizione clinica importante che è particolarmente osservata nei casi di glioma frontali che contengono il complesso SMA 3 . Il complesso SMA ha collegamenti con il sistema limbico, gangli basali, cerebellum, talamo, SMA contralaterale, lobo superiore parietale e porzioni dei lobi frontali attraverso tratti di fibre. L'effetto clinico del danno a queste connessioni di materia bianca può essere più grave rispetto alla corteccia. Ciò è dovuto al fatto che le conseguenze della lesione alla corteccia possono essere migliorate nel tempo a causa dell'elevata plasticità corticale 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Pertanto, l'anatomia regionale SMA e le vie della materia bianca dovrebbero essere profondeY compreso, in particolare per la chirurgia dell'looma.

Una comprensione completa dell'anatomia dei percorsi della materia bianca è importante per il trattamento a larga scala delle lesioni neurochirurgiche. Recenti studi della documentazione tridimensionale dei risultati anatomici ottenuti nella microchirurgia sono stati utilizzati per ottenere una migliore comprensione dell'anatomia topografica e dell'interrelazione tra le vie della materia bianca cerebrale 13 , 14 . Pertanto, lo scopo di questo studio era quello di esaminare le connessioni di materia bianca del complesso SMA (pre-SMA e SMA corretta) utilizzando una combinazione di tecniche di dissezione in fibra su campioni cadaverici e tracciatura a risonanza magnetica (MRI) e spiegare tutti i metodi Ei principi di entrambe le tecniche e la loro documentazione dettagliata.

Pianificazione e strategia di studio

Prima di eseguire gli esperimenti, un litroLa ricerca sui principi fondamentali delle discezioni di fibre, le procedure che devono essere applicate agli esemplari prima e durante le dissezioni, e tutti i collegamenti tra le regioni SMA che sono stati rivelati con la dissezione e la DTI. Sono stati riesaminati gli studi precedenti sulla localizzazione anatomica e la separazione delle regioni pre-SMA e SMA e sull'anatomia topografica dei loro collegamenti.

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Protocol

I defunti sono inclusi qui come una popolazione, anche se le persone decedute non sono soggetti tecnicamente umani; I soggetti umani sono definiti da 45 CF 46 come "esseri umani vivi 15 , 16 ".

1. Preparazione dei campioni

  1. Esaminare 5 cervelli fisse formalin (10 emisferi) e 2 teste intere umane.
  2. Fissare gli esemplari in una soluzione di formalina al 10% per almeno 2 mesi secondo il metodo di Klingler 17 .
  3. Freeze tutti i campioni a -16 ˚C per 2 settimane secondo il metodo di Klinger 17 .
  4. Scongelare i campioni sotto acqua di rubinetto.
  5. Eseguire una craniotomia frontotemporale estesa sulla testa cadaverica per esporre il cervello.
    1. Mettere la testa cadaverica in un morsetto a tre piedini ( Tabella Materiali).
    2. Effettuare un'incisione frontotemporale della pelle con un bisturi.
    3. Rimuovere la pelle e i muscoli usando un bisturi, pinze e forbici.
    4. Fai uno o più fori di burr nel cranio fino a raggiungere la dura mater; Utilizzare un trapano con un riduttore di velocità compatto e un attacco perforatore cranico da 14 mm a 79.000 giri / min ( tabella dei materiali).
    5. Tagliare il lembo osseo e aprire il cranio utilizzando un router flussato da 2 mm x 15,6 mm con un attacco a pin a 2,1 mm a una velocità di trapano di 80.000 giri / min.
  6. Rimuovere il duro, il arachnoide, il pia mater e il dissetto usando un microdissector sotto un microscopio a ingrandimento 6X a 40X 5 , 18 ( Table Material ).

2. Tecnica di dissezione della fibra

NOTA: eseguire tutte le dissoluzioni sotto l'effetto di ingrandimento 6X a 40X su un microscopio chirurgico.

  1. Eseguire le discezioni di fibre in modo graduale su ogni hemispheRi, da laterale a media e mediale a laterale.
    1. Decorticare la corteccia cerebrale usando un dissector panfield ( Table Material ) e rimuovere tutti i tessuti corticali frontali per esporre i tratti di fibra associati corto, che sono fibre U o fibre intergyral che interconnettono la vicina gyri 5 , 13 .
    2. Rimuovere le brevi fibre di associazione con un dissector panfield e un micro gancio chirurgico tagliando delicatamente sotto il microscopio ( Table Material ) per raggiungere ed esporre le lunghe fibre di associazione che interconnettono aree distanti nello stesso emisfero.
    3. Entra profondamente nelle lunghe fibre di associazione per rimuovere le fibre di associazione superficiale usando un micro gancio chirurgico e un dissector panfield; Rimuovere ogni fascio di fibre sotto un microscopio ( tabella di materiale) per esporre le fibre commissurali di proiezione.
    4. Visualizza ciascuna delle connessioni del complesso SMASecondo l'anatomia topografica precedentemente definita nella letteratura 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Conservare tutti i campioni (teste e cervelli interi) utilizzati durante le dissezioni nella soluzione di formaldeide al 10% ( tabella dei materiali) tra i periodi di dissezione.

3. Tecnica di fotografia 3D

  1. Utilizza una piattaforma di colore nero durante la fotografia degli esemplari.
  2. Seguire una tecnica fotografica 3D 22 .
    1. Posizionare ogni esemplare in una piattaforma di colore nero.
    2. Selezionare una scena con una vista frontale completa del campione e scattare una foto concentrandola la fotocamera su qualsiasi punto del campione vicino al punto centrale della schermata della fotocamera (scheda strumentole). Utilizzare un obiettivo SLR da 18 a 55 mm f / 3.5-5.6 oppure un obiettivo macro da 100 mm f / 2.8L e impostare l'apertura su F29, ISO 100.
    3. Ruotare la fotocamera leggermente a sinistra finché il punto più in alto della schermata della fotocamera non è uguale al punto di messa a fuoco sopra. Far scorrere la fotocamera verso destra finché il punto intermedio sullo schermo non si sovrappone al punto di messa a fuoco originale del campione. Focalizzare la fotocamera su questo punto e prendere un'altra foto.
    4. Mantenere la distanza e l'asse della fotocamera al campione fotografato a valori costanti.
  3. Creare un'immagine 3D utilizzando un programma di generazione di immagini 3D (tabella dei materiali).
    1. Aprire il programma software 3D.
    2. Scegli "Apri immagini stereo da File".
    3. Selezionare le due immagini (sinistra e destra) e assicurarsi che l'immagine sinistra sia nello slot sinistro e che l'immagine giusta sia nella fessura destra.
    4. Selezionare l'opzione "Anaglyph a metà colore RL / 2" e generare l'anaglyph in formato jpeg.

    4. Tecnica DTI

    1. Acquisire i dati di diffusione pre-elaborati utilizzando i dati di diffusione del progetto Human Connectome 23 scaricandolo dal sito web di riferimento.
      NOTA: i dati vengono scaricati pre-elaborati e consistono nelle seguenti procedure: I dati di diffusione sono stati acquisiti in volontari normali utilizzando un dispositivo MRI modificato (tabella strumenti) utilizzando una sequenza di imaging planare EPO a spin-echo con multi- L'accelerazione delle immagini a banda 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . I parametri di sequenza rilevanti includono: TR = 5.520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matrice = 168 x 144; Spessore di spessore = 1,25 mm (dimensione voxel 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Fattore multiband = 3; E valori b = 1.000 s / mm 2 (95 direzioni), 2.000 s / mm 2 (96 direzioni) e 3.000 s / mm2 (97 direzioni). I dati sono stati quindi elaborati utilizzando FreeSurfer 29 e FSL 30 ; Il processo comprendeva la correzione della corrente vortice, la correzione del movimento, la normalizzazione dell'intensità b0, la correzione della deformazione delle suscettibilità e la correzione di gradiente-nonlinearità 28 , 31 , 32 , 33 . Le immagini MP-RAGE ponderate corrispondenti a T1 sono incluse nel pacchetto di download. Le procedure sono documentate nel manuale delle procedure del progetto Human Connectome 23 .
    2. Post-processare i dati di diffusione usando Studio 34 di diffusione dello spettro di immagini (DSI) per generare una funzione stimata di distribuzione di orientamento della diffusione in voxel (ODF) usando un algoritmo di generalizzazione del Q-sampling imaging (GQI) 35 .
      1. Caricare il set di dati scaricato nel software da sel"STEP1: Immagini aperte" e selezionando il file data.nii.gz.
      2. Selezionare il pulsante "STEP2: Ricostruzione". Dopo aver verificato la maschera del cervello, procedere con "Step 2" e selezionare "GQI" come metodo di ricostruzione. Selezionare "p2" con un "rapporto di lunghezza" di "1.0". Lasciare le restanti selezioni come predefinite.
      3. Seleziona "Esegui ricostruzione".
    3. Posizionare i semi appropriati per le regioni di interesse per semplificare il monitoraggio delle fibre.
      1. Nella finestra "Regione", fare clic sul pulsante "Atlas" per posizionare i semi per il fasciculus longitudinale superiore (SLF) I. Selezionare "Brodmann" e aggiungere "Regione 6" e "Regione 7." Nella finestra regioni, impostare il tipo "Region 6" su "seed" e "Region 7" per "region-of-inclusions" (ROI).
        1. Seleziona "Nuova regione" nella finestra della regione e disegna manualmente un ROINel aspetto più posteriore del girus frontale superiore nel piano coronale. Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      2. Posizionare i semi per SLF II in modo simile utilizzando "New Region" nella finestra di regione e tracciare la regione "seme" nell'aspetto posteriore della materia bianca frontale gyrus frontale nel piano coronale. Scegliere un ROI utilizzando "Atlas" (come nel punto 4.3.1) e le regioni Brodmann 9, 10, 46, 39 e 19. Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      3. Posizionare i semi per SLF III con una regione "seme" usando "Atlas" (come nel punto 4.3.1) nella finestra regioni e scegliendo "Regione 40" dell'atlante Brodmann e il ROI da "Atlas ..." in "Regione 40 "E" Regione 44 ". Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      4. Posizionare i semi per le fibre callosali utilizzando "New Region" nella finestra della regione e disegnare un "seme" nel piano sagittale che comprende laE corpus callosum. Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      5. Posizionare i semi per le fibre cingolate utilizzando "New Region" nella finestra della regione e disegnare una regione "seme" nel mid-cingulate gyrus sulla vista corona. Utilizza "Nuova Regione" per disegnare due ROI, uno nel cingolo più anteriore e uno nel gyrus cingolato posteriore sotto la vista coronale. Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      6. Posizionare i semi per le fibre claustrocortiche usando "Nuova regione" nella finestra della regione e disegnando un "seme" nella claustra con un ROI nella corona radiata usando la funzione "Atlas ...". Seleziona l'atlante come "JHU-WhiteMatter-labels-1mm".
        1. Selezionare e aggiungere "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" e "Superior_corona_radiata". Disegna una regione di evasione per tutte le fibre che passa attraverso un piano inferiore al livello della claustro nel piano assiale usando "New Region"Nella finestra della regione. Eseguire il monitoraggio della fibra come descritto nel punto 4.4.
      7. Posizionare i semi per il tratto corticospinale usando un "seme" dalla funzione "Atlas ..." nella finestra regioni; Selezionare "JHU-WhiteMatter-labels-1mm" e aggiungere la regione "Corticospinal_tract". Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      8. Posizionare i semi per il tracciato frontale (FAT) usando una regione "seed" dalla funzione "Atlas ..." nella finestra regioni e selezionando gli ROI di "Atlas" e "Region 6" in "Region 44" e "Region 45". " Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4.
      9. Posizionare i semi per il tratto frontostriatale (FST) con un "seme" in "Regione 6" usando la funzione "Atlas ...". Inserisci nuove regioni nel "caudate", "putamen" e "globus pallidus" nell'atlante "HarvardOxfordSub" e imposta il tipo nella finestra della regione in "fine"."
        NOTA: il monitoraggio delle fibre per FST verrà eseguito selezionando il seme della regione 6 e solo uno dei semi subcorticali per ogni sessione di tracciamento (regione 6 e caudate, seguita dalla regione 6 e il putamen, e infine la regione 6 e il globo pallido).
        1. Eseguire il tracciamento delle fibre come descritto nel punto 4.4 per ogni combinazione.
    4. Eseguire il monitoraggio delle fibre per ciascuna delle combinazioni di cui sopra.
      1. Nella finestra "Opzioni", impostare i parametri di monitoraggio come: indice di terminazione di qa di 0,08, soglia angolare di 75, dimensione passo 0,675, lisciatura 0,2, lunghezza minima di 20 mm e lunghezza massima di 200 mm. Selezionare l'orientamento del seme come "Tutto", la posizione del seme come "Subvoxel" e ordinare come sezionato come "On". Utilizzare l'interpolazione trilineare di direzione con un algoritmo di tracciamento (Euler). Per ogni combinazione di regioni sopra, scegliere "Esegui il monitoraggio" nel & #34; Fiber Tracts ".
        NOTA: A causa della natura randomizzata del tracciamento, vengono identificate "false fibre" e rimosse selettivamente, con regioni di evasione disegnate a mano come "Nuova Regione".
    5. Affine registrare la scansione MP-RAGE MP 3D-ponderata estratta dal cervello fornita nel set di dati del progetto Human Connectome ai dati di diffusione utilizzando la funzione "Fibre -> Inserisci immagini T1 / T2" di DSI-Studio. Genera un rendering superficiale del cervello selezionando "Fette -> Aggiungi Isosurface". Utilizza una "soglia" di 665.

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Representative Results

Il complesso SMA si trova nella parte posteriore del superiore gyrus frontale. I confini del complesso SMA sono il sulcus precentrale posteriormente, il sulcus frontale superiore inferiormente lateralmente e il sulcus cingulare inferiormente-medialmente 18 . Il complesso SMA è costituito da due parti: la pre-SMA anteriormente e la SMA correttamente posteriormente 18 . Ci sono differenze in termini di connessioni di materia bianca e funzione tra queste due parti 18 ( Figura 1A e B ). Abbiamo studiato le connessioni corticali e subcorticali di queste due parti usando le tecniche di dissezione della fibra e di DTI e li hanno mostrati in immagini 3D.

Fibre di associazione del complesso SMA

Rimuovendo la corteccia del lobo frontale esposto le brevi fibre associative, tLe cosiddette fibre U, che interconnettono la vicina gyri 18 ( Figura 1C ). Le fibre corte dell'associazione del complesso SMA forniscono connessioni tra il complesso SMA e la corteccia motore posteriormente e tra il complesso SMA e la corteccia prefrontale anteriore 18 ( Figura 2B ). Essi forniscono anche connessioni tra il pre-SMA e la SMA corretta nel complesso SMA. Le fibre di assi lunghe più superficiali sono il fasciculus II longitudinale superiore (SLF II) e la parte operale frontale della SLF III 13 , 36 ( Figura 2A ). Abbiamo rimosso SLF II e SLF III proprio di fronte al solco precentrale per esporre il tratto frontale (FAT), che interconnette il superiore gyrus frontale e il gyrus frontale inferiore ( figura 2B ). Le FAT sono fibre di associazione superficiale che sorgono dal pre-SMA e dal pars operCularis.

Durante la dissezione di FAT, è fondamentale distinguere anatomicamente il FAT dalle fibre corona radiata, che funzionano parallele nel piano verticale. Come indica la letteratura, le fibre FAT viaggiano obliquamente dalla regione SMA al gyri inferiore frontale e diventano superficiali in pars opercularis 2 . Tuttavia, altre corona radiata e le fibre claustrocortiche corrono profondamente verso i gangli basali senza essere superficiali 18 ( Figura 2C , 3C e 3D ).

Un altro tratto di fibra associato del complesso SMA è SLF I, che collega il lobo parietale superiore al lobo frontale superiore (complesso SMA) e la corteccia cingulare anteriore sul lato mediano dell'emisfero 18 , 36 . La dissezione di SLF I è stata eseguita medialmente a latDopo la decorticazione della superficie mediale dell'emisfero ( Figura 2A , 3A e 3B ).

Fibre commissurali del complesso SMA

Il principale percorso di fibra commissurale è quello delle fibre callosali che collegano il complesso SMA con il complesso SMA contralaterale. Le fibre callosali sono posizionate tra le fibre corona, il cingolo e le SLF I e attraversano la linea mediana attraverso il callosum corpus per raggiungere il complesso contralaterale SMA ( Figura 2A , 4A e 4B ).

Fibre di proiezione del complesso SMA

Le fibre di proiezione sono costituite da 4 differenti gruppi di fibre legati al complesso SMA: le fibre del cingolo, le fibre claustro-corticali, il tratto frontocitriatale eTratto cortico-spinale. Le fibre cingulate originano dalla superficie mediale dell'emisfero per formare il cingolo e corrono all'interno del gyrus cingulare. La funzione di queste fibre è quella di fornire connessioni tra il complesso SMA e il sistema limbico 18 ( Figura 2A e 4C ).

La distribuzione dei bordi delle fibre claustrocorticali è il bordo anteriore della pre-SMA anteriormente e la parte posteriore del lobo parietale posteriormente ( Figura 2D e 4D ). Pertanto, le fibre originate dalla claustra terminano in tutte le aree complesse SMA (pre-SMA e SMA appropriate) 37 .

Il tratto frontostriatale (FST) collega il complesso SMA e lo striato dorsale ( cioè nucleo caudato e putamen) e si muove tra la cApsules 18 ( Figura 3C e 3D ). È difficile distinguere il FST da altre fibre di capsule interne ( ad es., Peduncoli talamici, fibre frontopontine, ecc.), Così come da altre fibre nel piano verticale ( ad es., FAT e altre fibre di corona radiata) Tecnica della dissezione della fibra. Tuttavia, Grande et al. Ha utilizzato la tecnica DTI per dimostrare che le fibre FST derivanti dal complesso SMA terminano sia nelle capsule esterne che interne 18 . Circa il 10% delle fibre del tratto spinale corticale derivano dalla SMA corretta e terminano nel midollo spinale, ma queste fibre non derivano dal pre-SMA 38 ( figura 4E ).

Figura 1
Figura 1: laterali eSuperficie media della vista frontale del lobo sinistro. Le illustrazioni 2D etichettate accompagnano ogni illustrazione 3D sul lato sinistro. Vista laterale dell'emisfero sinistro: SMA corretta (viola) e pre-SMA (verde); Il complesso SMA si trova nella parte posteriore del girus frontale superiore, proprio di fronte al gyrus precentrale ( A ). Vista mediana dell'emisfero sinistro. Una linea verticale immaginaria a livello della commissione anteriore, perpendicolare alla linea che si trova tra le commissioni anteriori e posteriori, è il confine tra la SMA corretta (viola) e la pre-SMA (verde) ( B ) 39 . Dopo la visualizzazione di decortication. La decorticazione espone brevi fibre di associazione, chiamate "fibre U". Le fibre U collegano l'uno con l'altro, come la pre-SMA alla SMA corretta e la SMA corretta alla corteccia motoria ( C ). Per favore clicca quiPer visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 1
Figura 2: Dissezione fibra laterale-mediale. Le illustrazioni 2D etichettate accompagnano ogni illustrazione 3D sul lato sinistro. Vista laterale; Il SLF II si estende tra il gyrus angolare e il gyrus frontale centrale e termina al pars opercularis e pars triangularis. Il SLF III collega il gyrus supramarginale e il pars triangularis nell'operculo frontoparietale. Vista mediterranea; La SLF I collega il lobo parietale superiore alla corteccia cingulare anteriore e la superficie mediale del gyrus frontale superiore, che include il complesso SMA ( A ). Dopo aver rimosso una parte di SLF II al livello coronale, il FAT è stato esposto ( B ). Le fibre FAT percorrono obliquamente dalla regione SMA fino alla gyri inferiore frontale e diventano superficialiNel pars opercularis. Altre fibre di radiografia corona corrono profondamente verso i gangli basali senza essere superficiali ( C ). Un altro esemplare che mostra il bordo esposto della distribuzione della fibra claustro-corticale nell'area corticale, che è tra la parte anteriore del pre-SMA e la parte posteriore del lobo parietale ( D ). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 1
Figura 3 : Studio DTI sulle connessioni SMA. Le fibre SLF viste su una fetta sagittale ( A ) e una fetta coronale ( B ) su DTI. SLF I (giallo); SLF II (arancio); SLF III (turchese). Relazione di FAT (verde) e FST (blu) sagittale ( C ) e coronale ( D Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 1
Figura 4 : Studio DTI sulle connessioni SMA. Le fibre Callosal viste su una fetta coronale ( A ) e una fetta sagittale ( B ) su DTI. Le fibre cingulari (rosse) ( C ), le fibre claustroforzionali (arancio) ( D ) e il tratto corticospinale (viola) ( E ), come si vedono sulle fette sagittali su DTI. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

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Discussion

L'importanza e le tecniche di studio per i percorsi della materia bianca

La corteccia cerebrale è accettata come una struttura neurale principale associata a 2,5 milioni di anni di vita umana. Circa 20 miliardi di neuroni sono stati separati in varie parti in base a specifiche morfologiche e cellulari 40 . L'architettura di ciascuna di queste parti corticali è stata sotto-raggruppata funzionalmente, come senso sensoriale e movimento, esperienza emotiva e ragionamento complesso. È stato determinato che tutti i comportamenti nei primati sono stati formati da unici collegamenti anatomo-funzionali e regioni distribuite topograficamente attraverso le aree corticali e subcorticali del sistema neurale. Anche se la corteccia cerebrale è stata studiata in dettaglio, c'è ancora una mancanza di conoscenza delle vie della materia bianca del sistema neurale che collegano diverse aree. Aree come il centrum semiovale e la corona radiata sono state sPrima sotto una visione macroscopica. Durante gli anni 1800 i ricercatori hanno eseguito la dissezione delle scimmie con materiali di colorazione mielinica e metodi di autoradiografia applicati con l'aiuto di aminoacidi per comprendere il sistema di fibre di materia bianca. Alcune principali fibre associative, come il cingolo e il fascicolato uncinato, sono stati identificati e nominati con questi studi. D'altra parte, l'identificazione di altri percorsi di materia bianca, come l'arcuato fasciculus / fasciculus longitudinale superiore e il fasciculus longitudinale inferiore, è ancora contraddittorio nella letteratura 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

Una comprensione delle strutture di materia bianca è molto importante per fornire dettagli sui processi anatomici di comportamento ad alto livello e sulla struttura e la funzione del cervello. UNUna comprensione più approfondita delle vie della materia bianca è anche fondamentale per gli obiettivi clinici. Molte malattie sono causate da lesioni che colpiscono i percorsi della materia bianca. In precedenza, non esisteva una tecnica unica e corretta che potrebbe essere utilizzata per descrivere i percorsi di fibre, nonostante i miglioramenti nelle tecniche di radioterapia. La tecnica di dissezione della fibra cadaverica, che è la tecnica più antica, è il metodo ideale per l'istruzione neuroanatomica dei giovani neurochirurghi e il migliore standard tra le tecniche di tractografia basate su tensori di diffusione, tractografia MR, tracciografia spettrale di diffusione e autoradiografia. I tratti fibrosi possono essere visualizzati in vivo con MRI; Tuttavia, lo svantaggio di questa tecnica è la difficoltà a determinare la terminazione e l'origine dei percorsi di fibre. La tecnica autoradiografica può essere utilizzata solo negli animali sperimentali. Una conoscenza dell'anatomia del tratto di fibre è fondamentale per ottenere una migliore comprensione della psicologia cognitivaIatricità e manifestazioni motorie dopo disturbi della materia bianca come la sclerosi multipla.

La plasticità esiste in materia grigia, ma non in materia bianca; Qualsiasi danno perioperatorio alla sostanza bianca provoca deficit irreversibili nel paziente (Schmahmann et al. ). Ciò rende l'anatomia dei percorsi di fibra più preziosa nella neurochirurgia 46 . Durante la pianificazione chirurgica preoperatoria per la rimozione delle lesioni intra-assiali, occorre prendere in considerazione l'ubicazione e lo spostamento delle principali vie di fibra, quali le fascicolazioni arcuate, le radiazioni ottiche e il tratto cortico-spinale per una chirurgia di successo. La conoscenza anatomica, insieme alla tractografia RM preoperatoria, fornisce una valida valutazione e pianificazione chirurgica per ogni paziente. Nel frattempo, l'esecuzione di dissezione di fibre cadaveri sotto il microscopio operativo aiuta a migliorare le abilità di mano del chirurgo e fornisce una comprensione più profonda del complessoAnatomia in tre dimensioni. Per raggiungere questi guadagni, il chirurgo dovrebbe trascorrere del tempo in un laboratorio di microchirurgia. Dovrebbe solo concentrarsi sui tratti di fibre durante la dissezione, piuttosto che quello che vorrebbe vedere. D'altro canto, oggi, i miglioramenti nelle tecniche di imaging DTI hanno permesso di identificare i principali percorsi di fibre in vivo , sia nel cervello normale che nelle situazioni cliniche in cui il sistema fibroso è influenzato. Inizialmente, questo metodo non forniva alcuna informazione sulle regioni di avvio e di terminazione dei principali fasci di fibre ed era solo efficace nella definizione di estensioni. Tuttavia, con lo sviluppo di MR tractografia e diffusione dello spettro di immagini (DSI), sono stati compiuti passi importanti per comprendere l'anatomia cerebrale normale in vivo e gli studi clinici 47 , 48 , 49 . Negli ultimi anni è stato suggerito la mappatura di percorsi di materia biancaÈ molto importante per prevenire i disavanzi postoperatori. E 'anche utile eseguire mappature elettriche intraoperatorie della materia bianca per proteggere le significative strutture subcorticali e le loro funzioni 50 , 51 . Pertanto, l'anatomia della regione frontale e le vie della materia bianca dovrebbero essere comprese in modo approfondito per la chirurgia frontale-glioma.

Caratteristiche anatomiche e l'importanza clinica del complesso SMA

La linea di frontiera macro-anatomica tra la pre-SMA e la SMA corretta è accettata come una linea immaginaria verticale che passa attraverso il livello della commessa anteriore 18 , 39 . Inoltre, il pre-SMA e l'SMA hanno delle differenze in termini di funzioni. Sebbene la SMA abbia funzioni somatotropiche, il pre-SMA ha un'organizzazione somatosensoria 19 . Fondamentalmente, la SMA corretta è responsabile di thL'attivazione, il controllo e la generazione del movimento, mentre il pre-SMA è responsabile per i compiti cognitivi e non per motori 8 .

I pazienti con lesioni del pre-SMA presentano con vari gradi di alterazione del linguaggio, che vanno da una totale incapacità di avviare il discorso ( cioè il mutismo) alla lieve alterata fluidità 52 . Come previsto dai dati di stimolazione elettrica neurochirurgica, la resezione o il danno al complesso SMA produce una risposta negativa del motore nelle funzioni motorie e del linguaggio e, infine, produce una sindrome SMA. La sindrome di SMA è una complessità di sindrome neurochirurgica di iniziazione che varia da una perdita totale della produzione del motore e del linguaggio, come il mutismo akinetico, a diminuire i movimenti spontanei e il discorso 18 , 53 . Pertanto, le connessioni del tratto di fibre subcorticale del complesso SMA svolgono un ruolo importante nella pianificazione chirurgica.

I tratti di fibra del complesso SMA

In questo studio abbiamo studiato tutte le connessioni del complesso SMA, quali FAT, FST, fibre di associazione corta, SLF I, fibre callosali, fibre cingolo e fibre claustrocortiche utilizzando la dissezione della fibra cadaverica e le tecniche DTI definite nella letteratura in Negli ultimi anni 8 , 13 , 18 . Abbiamo mostrato e supportato i nostri risultati di dissezione in fibra tramite DTI. Tuttavia, è difficile separare alcuni percorsi di materia bianca di proiezione, come il FST e il tratto cortico-spinale (CST) da altri fasci di fibre radianti di corona attraverso la dissezione anatomica. Di conseguenza, siamo riusciti a mostrare in modo più efficace l'anatomia topografica di questi due fasci di fibre tramite DTI. Inoltre, la capacità di studiare in vitro e di visualizzare i fasci di fibre profonde in dettaglio sono gli altri vantaggi dello studio DTI.

L'SLF I è una fibra di associazione lunga che collega il precuneo (lobo superiore parietale) al complesso SMA e cingola la corteccia. SLF I ha funzioni relative al sistema limbico, collegandosi alla corteccia cingulare anteriore e al sistema motore, collegandosi al lobo parietale superiore 13 , 18 , 36 , 54 .

Le parti posteriori dell'interconnessione superiore e inferiore del gyrus frontale con un sistema diretto che consiste nel FAT, definito nuovamente con tecniche DTI 2 e poi con tecniche di dissezione a fibre 18 . La proiezione di questo percorso è nella pre-SMA e SMA corretta nel superiore gyrus frontale e nelle pars opercularis nel gyrus frontale inferiore 18 . Ford et al. Dimostrato la connettività strutturale tra la SMA e laBroca per la prima volta, sostenendo il ruolo funzionale della SMA come una corteccia di elaborazione del linguaggio 55 . Oltre al SLF I, il FAT è un percorso diretto che collega il pars opercularis con il cingolato anteriore e la pre-SMA, come indicato dai risultati di questo studio. Catani et al. Ha definito la FAT attraverso DTI e ha riportato che l'atrofia corticale delle zone di connessione FAT sul complesso SMA (pre-SMA e parte anteriore della SMA corretta) e il cingolo anteriore in pazienti con primaria progressione afatica può causare disordini verbali di fluidità 46 . Studi precedenti hanno indicato che il FAT può anche essere associato a difficoltà di iniziazione vocale e disfunzioni di fluenza vocale 22 .

Il FST è costituito da fibre di proiezione che collegano il pre-SMA e lo striatum ( cioè nucleo caudato e putamen). Negli studi precedenti, i punti di terminazione del FST nel basale gaNglia non erano molto chiari. Tuttavia, è stato mostrato anche negli ultimi studi di DTI completi che l'FST proviene dalla pre-SMA e termina nella capsula interna e nella superficie laterale del putamen 20 , 21 , 22 . Oltre a ciò, in un altro studio DTI, è stato dimostrato che l'FST termina sia nelle superfici laterali che nel mediale del putamen 18 . Funzionalmente, Duffau et al. Dimostrato l'anartria e / o la cessazione del movimento durante la stimolazione elettrica diretta intraoperatoria del putamen, il cui meccanismo è probabilmente attraverso le connessioni putaminal del FST 21 .

Il tratto cortico-spinale collega la corretta SMA e la corteccia motoria primaria al midollo spinale, ma il pre-SMA non ha fibre del tratto cortico-spinale 24 . In uno studio di elettrostimolazione di Duffao > Et al. , È stato osservato un arresto del movimento stimolando la regione SMA nell'arto superiore contralaterale. Si è pensato che ciò possa avvenire a causa del collegamento dell'SMA con il midollo spinale dal tratto cortico-spinale e della SMA contralaterale da fibre callosali 18 , 56 .

Le fibre claustrocortiche si collegano tra la claustro nel nucleo centrale e una vasta area tra il bordo anteriore del pre-SMA e la parte posteriore del lobo parietale 13 . Funzionalmente, le fibre claustrocortiche sono credute per svolgere un ruolo nella coscienza e nel coordinare le informazioni provenienti dalla regione corticale visiva, dal sistema limbico e dai cortici somatosensoriali e motori 27 . Pertanto, i fasci di fibre claustro-cortici tra il complesso SMA e la claustro si pensavano di poter svolgere un ruolo nell'esecuzione di un motore> 18.

Sebbene sia stato affermato in precedenti studi che il collegamento del complesso SMA con il gyrus cingolare è attraverso fibre di associazione corte, in uno studio anatomico recente, si è scoperto che tali connessioni sono fornite direttamente da fibre cingulate 18 . Funzionalmente, è stato sostenuto che questo percorso ha un ruolo nell'elaborazione del motore di stimolazione emotiva negativa tra la SMA e la corteccia limbica 18 .

Negli ultimi anni, l'importanza clinica del complesso SMA ( es. Sindrome SMA e risposta negativa del motore) è stata rivelata da un numero crescente di studi di elettrostimolazione. Di conseguenza, l'importanza dell'anatomia topografica e delle connessioni subcorticali della SMA fu gradualmente evidenziata. È fondamentale acquisire una migliore comprensione dell'anatomia topografica, in particolare attraverso gli studi anatomici 3D e utilizzare le caratteristiche cliniche di questi collegamenti per pianificare la chirurgia.

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Disclosures

Gli autori non dichiarano interessi finanziari concorrenti e nessuna fonte di finanziamento e sostegno, compresi quelli per attrezzature e medicinali.

Acknowledgments

I dati sono stati forniti in parte dal progetto Human Connectome, WU-Minn Consortium (Principal Investigators: David Van Essen e Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), finanziato dai 16 istituti e centri NIH che sostengono il progetto di NIH per la ricerca di neuroscienze; E dal McDonnell Center for Systems Neuroscience presso l'Università di Washington. Le figure 2A e 2D sono state riprodotte con l'autorizzazione della collezione 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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Neuroscienza Edizione 123 Area motori supplementari dissezione di fibre tractografia di tensori di diffusione documentazione tridimensionale percorsi di materia bianca fibre di associazione fibre commissurali fibre di proiezione
Connessioni a fibre della zona motori aggiuntiva Revisited: Metodologia della discizione a fibre, DTI e documentazione tridimensionale
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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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