Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Оптические соединения дополнительной моторной зоны: методология волоконного рассечения, DTI и трехмерной документации

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

Цель этого исследования - показать каждый шаг техники рассечения волокон на человеческом трупе мозга, трехмерную документацию этих вскрытий и визуализацию тензора диффузии анатомически расчлененных путей волокон.

Abstract

Цель этого исследования - показать методологию исследования соединений белого вещества комплекса дополнительной моторной области (SMA) (собственно до SMA и SMA) с использованием комбинации методов рассечения волокон на трупных образцах и магнитного резонанса (MR ) Трактография. Протокол также будет описывать процедуру рассечения белого вещества головного мозга человека, визуализацию тензорной картины диффузии и трехмерную документацию. Разделение волокон на человеческий мозг и 3D-документацию проводились в Университете Миннесоты, лаборатории микрохирургии и нейроанатомии отделения нейрохирургии. Пять посмертных образцов головного мозга человека и две целых головы были приготовлены в соответствии с методом Клинглера. Полушария головного мозга были разделены шаг за шагом от латерального до медиального и медиального к латеральному под операционным микроскопом, и трехмерные изображения были захвачены на каждом этапе. Все результаты вскрытия подтверждались тензором диффузииизображения. Исследования на соединениях в соответствии с классификацией волоконного тракта Мейнерта, включая соединительные волокна (короткие, верхние продольные фасцикулы I и фронтальные асцены), проекционные волокна (кортикоспинальные, клаустрокортикальные, цингулы и фронтостриальные трассы) и комиссуральные волокна (каллозальные волокна) Также проводится.

Introduction

Среди 14 лобных областей, определенных Бродманном, премоторная и префронтальная области, расположенные перед прецентральной моторной корой, долгое время считались молчащим модулем, несмотря на то, что лобная доля играет важную роль в познании, поведении, обучении, И обработки речи. В дополнение к дополнительному району двигательной области (SMA), состоящему из пред-SMA и собственно SMA (область Brodmann, BA 6), который простирается медиально, предмоторный / фронтальный модуль включает дорсолатеральный префронтальный (BA 46, 8, И 9), фронтополярной (ВА 10) и вентролатеральной префронтальной (ВА 47) коры, а также части орбитофронтальной коры (ВА 11) на боковой поверхности мозга 1 , 2 .

Комплекс SMA представляет собой значительную анатомическую область, которая определяется его функциями и соединениями. Резекция и повреждение этого региона вызывают значительные клинические дефициты, известные как SMAсиндром. Синдром SMA является важным клиническим состоянием, которое особенно наблюдается при лобно-глиомных случаях, которые содержат SMA комплекс 3 . Комплекс SMA имеет связи с лимбической системой, базальными ганглиями, мозжечком, таламусом, контралатеральной SMA, верхней париетальной лопастью и частями лобных долей по волокнистым трактам. Клинический эффект повреждения этих соединений белого вещества может быть более серьезным, чем для коры головного мозга. Это объясняется тем, что последствия повреждения коры могут быть улучшены с течением времени из-за высокой кортикальной пластичности 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Таким образом, региональная анатомия SMA и пути белого вещества должны быть deeplY понял, в частности, для хирургии глиомы.

Всестороннее понимание анатомии путей белого вещества важно для широкого спектра лечения нейрохирургических поражений. Недавние исследования трехмерной документации анатомических результатов, полученных в микрохирургии, были использованы для лучшего понимания топографической анатомии и взаимосвязи между путями белого вещества мозга 13 , 14 . Поэтому целью этого исследования было изучение соединений белого вещества комплекса SMA (собственно до SMA и SMA) с использованием комбинации методов рассечения волокон на трупных образцах и магниторезонансной томографии (MRI) и объяснения всех методов И принципов обоих методов и их подробной документации.

Планирование и стратегия обучения

Перед проведением экспериментов литрПроводили поиск по основным принципам вскрытия волокна, проводили процедуры, которые должны быть применены к образцам до и во время вскрытия, и проводились все связи между регионами SMA, которые были выявлены с помощью вскрытия и DTI. Были рассмотрены предыдущие исследования по анатомической локализации и отделению областей, предназуемых SMA и SMA, и топографической анатомии их соединений.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Покойный включен здесь как население, хотя умершие люди не являются технически людьми; Человеческие субъекты определяются 45 CF 46 как «живые люди 15 , 16» .

1. Подготовка образцов

  1. Исследуйте 5 фиксированных формалином мозгов (10 полушарий) и 2 целых головы человека.
  2. Закрепляют образцы в 10% -ном растворе формалина в течение по меньшей мере 2 месяцев в соответствии с методом Клинглера 17 .
  3. Заморозить все образцы при -16 ˚C в течение 2 недель в соответствии с методом Клингера 17 .
  4. Оттепель образцов под водопроводной водой.
  5. Выполните расширенную черепно-мозговую краниотомию на трупной голове, чтобы обнажить мозг.
    1. Поместите трупную голову в трехшарнирный зажим черепа ( Material Table ).
    2. Сделайте лобно-височный разрез кожи с помощью скальпеля.
    3. Удалите кожу и мышцы с помощью скальпеля, пинцета и ножниц.
    4. Сделайте одно или несколько отверстий в черепе, пока не достигнет твердой мозговой оболочки; Используйте сверло с компактным редуктором скорости и 14 мм краниальным перфоратором на 79 000 об / мин ( Таблица материалов).
    5. Отрежьте костный лоскут и откройте череп, используя 2 мм х 15,6 мм рифленый ротатор с 2,1 мм штифтовидным заусенцем при скорости сверления 80 000 об / мин ( Таблица материалов).
  6. Удалите твердую мозговую оболочку, арахноид и пиа-матер и рассекайте с помощью микродиссектора под микроскопом при увеличении от 6X до 40X 5 , 18 ( Material Table ).

2. Техника вскрытия волокон

ПРИМЕЧАНИЕ. Выполняйте все операции при увеличении от 6X до 40X на хирургическом микроскопе.

  1. Выполните расслоения волокна поэтапно на каждом полушарииRe, от латерального до медиального и медиального к боковому.
    1. Разделите кору головного мозга с помощью диспансера панорамы ( Таблица материалов) и удалите все лобные ткани коры, чтобы выявить короткие волокна связи, которые представляют собой U-волокна или интергидратные волокна, которые соединяют соседние жировые отложения 5 , 13 .
    2. Удалите короткие волокна ассоциации с диспансером поля и хирургическим микро-крюком, осторожно подрезая под микроскопом ( Таблица материалов), чтобы достичь и обнажить длинные волокна ассоциации, которые соединяют отдаленные области в том же полушарии.
    3. Пройдите глубоко в длинные волокна ассоциации, чтобы удалить поверхностные волокна ассоциации, используя хирургический микро-крючок и диспансер панорамирования; Удалите каждый пучок волокон под микроскопом ( Таблица материалов), чтобы обнажить проекционные комиссуральные волокна.
    4. Просмотр каждого соединения SMA комплексаВ соответствии с топографической анатомией, которая ранее была определена в литературе 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Хранить все образцы (целые головы и мозги), которые использовались при вскрытии в 10% -ном растворе формальдегида ( Таблица материалов) между периодами диссекции.

3. Техника 3D-фотографии

  1. Во время фотографирования образцов используйте платформу черного цвета.
  2. Следуйте методу 3D-фотографии 22 .
    1. Поместите каждый образец на платформу черного цвета.
    2. Выберите сцену с полным фронтальным видом образца и сделайте один снимок, сфокусировав камеру в любой точке образца близко к центральной точке на экране камеры (вкладка инструментале). Используйте 18- или 55-мм объектив f / 3.5-5.6 SLR или макрообъектив 100 мм f / 2.8L и установите диафрагму на F29, ISO 100.
    3. Поверните камеру немного влево до тех пор, пока самая правая точка на экране камеры не будет такой же, как точка фокусировки выше. Сдвиньте камеру вправо до тех пор, пока средняя точка на экране не пересечет исходную точку фокусировки на образце. Сфокусируйте камеру на этом пункте и сделайте еще один снимок.
    4. Сохраняйте расстояние и ось камеры на сфотографированном образце при постоянных значениях.
  3. Создайте трехмерное изображение с помощью программы-генератора 3D-изображений (Таблица материалов).
    1. Откройте программу 3D.
    2. Выберите «Открыть стереоизображения из файла».
    3. Выберите два изображения (влево и вправо) и убедитесь, что левое изображение находится в левом слоте, а правое изображение находится в правом слоте.
    4. Выберите опцию «Half color anaglyph RL / 2» и создайте анаглиф в формате jpeg.

    4. Техника DTI

    1. Приобретите предварительно обработанные данные диффузии с использованием данных диффузии проекта «Подсоединение человека» 23 , загрузив их с веб-сайта, на который делается ссылка.
      ПРИМЕЧАНИЕ. Данные загружаются предварительно обработанными и состоят из следующих процедур: диффузионные данные были получены у нормальных добровольцев с использованием модифицированного 3-T-MRI-устройства (таблица инструментов) с использованием эхо-плана эхо-планарного изображения (EPI) Ускорение 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Соответствующие параметры последовательности включают в себя: TR = 5520 мс; TE = 89,5 мс; FOV = 210 x 180 мм; Матрица = 168 х 144; Толщина среза = 1,25 мм (воксельный размер 1,25 х 1,25 х 1,25 мм); Многополосный фактор = 3; И b = 1000 с / мм 2 (95 направлений), 2000 с / мм 2 (96 направлений) и 3000 с / мм2 (97 направлений). Затем данные обрабатывались с использованием FreeSurfer 29 и FSL 30 ; Процесс включал коррекцию вихревых токов, коррекцию движения, нормализацию интенсивности b0, коррекцию искажений восприимчивости и коррекцию градиентной нелинейности 28 , 31 , 32 , 33 . Соответствующие T1-взвешенные изображения MP-RAGE также включены в пакет загрузки. Процедуры описаны в руководстве по процедурам проекта «Человеческое соединение» 23 .
    2. Постобработка диффузионных данных с использованием Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 для генерирования оценочной функции распределения по воксельной диффузии (ODF), использующей обобщенный алгоритм g-выборки изображений (GQI) 35 .
      1. Загрузите загруженный набор данных в программное обеспечение selEcting «ШАГ 1: изображения с открытым исходным кодом» и выберите файл data.nii.gz.
      2. Выберите кнопку «STEP2: Реконструкция». После проверки маски мозга перейдите к «Этапу 2» и выберите «GQI» в качестве метода реконструкции. Выберите «r ^ 2 weighting» с «отношением длины» к «1.0». Оставшиеся варианты выбора по умолчанию.
      3. Выберите «Выполнить реконструкцию».
    3. Поместите соответствующие семена для областей интересов, чтобы оптимизировать отслеживание волокна.
      1. В «Окно региона» нажмите кнопку «Atlas», чтобы поместить семена для верхнего продольного пучка (SLF). I. Выберите «Brodmann» и добавьте «Region 6» и «Region 7.». В окне региона установите для типа «Регион 6» значение «seed», а для типа «Регион 7» - «область включений» (ROI).
        1. Выберите «Новый регион» в окне региона и вручную нанесите ROIВ самом заднем аспекте верхней лобной извилины в корональной плоскости. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      2. Поместите семена для SLF II подобным образом, используя «Новый регион» в окне области и рисуя «семенную» область в заднем аспекте среднего лобного извилины белого вещества в корональной плоскости. Выберите ROI, используя «Атлас» (как на шаге 4.3.1) и области Бродмана 9, 10, 46, 39 и 19. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      3. Поместите семена для SLF III с «семенной» областью, используя «Атлас» (как в шаге 4.3.1) в окне региона и выбрав «Регион 40» атласа Бродманна и ROI из «Атласа ...» в «Регион 40» "И" Регион 44 ". Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      4. Поместите семена для каллозальных волокон, используя «Новый регион» в окне региона, и нарисуйте «семя» в сагиттальной плоскости, охватывающей thE corpus callosum. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      5. Поместите семена для волокон из колючей проволоки, используя «Новый регион» в окне области, и нарисуйте «посевной» участок в средней извилистой извилине на корональном изображении. Используйте «Новый регион», чтобы нарисовать две области интереса, одну в более переднем пояске и одну в задней извилистой извилине под короной. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      6. Поместите семена для клаукорокортикальных волокон, используя «Новый регион» в окне региона, и нарисуйте «семя» в клауруме с ROI в корональных лучах с помощью функции «Атлас ...». Выберите атлас как «JHU-WhiteMatter-labels-1mm».
        1. Выберите и добавьте «Anterior_corona_radiata», «Posterior_corona_radiata» и «Superior_corona_radiata». Нарисуйте область избежания для всех волокон, проходящих через плоскость, уступающую уровню клаурума в осевой плоскости, используя «Новый регион»"В окне региона. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      7. Поместите семена в кортикоспинальный тракт с помощью «семени» из функции «Атлас ...» в окне региона; Выберите «JHU-WhiteMatter-labels-1mm» и добавьте область «Corticospinal_tract». Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      8. Поместите семена для фронтального асфальтового тракта (FAT), используя «посевной» регион из функции «Атлас ...» в окне региона и выбрав атлас Brodmann и «Region 6» ROI в «Регион 44» и «Область 45». " Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4.
      9. Поместите семена для передне-патологического тракта (FST) с «семенами» в «Регион 6», используя функцию «Атлас ...». Вставьте новые регионы в «caudate», «putamen» и «globus pallidus» из атласа «HarvardOxfordSub» и установите тип в окне региона «до конца»."
        ПРИМЕЧАНИЕ. Отслеживание волокна для FST будет выполняться путем выбора семян региона 6 и только одного из подкорковых семян на сеанс отслеживания ( то есть область 6 и хвостатое, а затем область 6 и порог, и, наконец, область 6 и глобус бледный шар).
        1. Выполните отслеживание волокна, как описано в шаге 4.4 для каждой комбинации.
    4. Выполните отслеживание волокна для каждой из вышеперечисленных комбинаций.
      1. В окне «Параметры» задайте параметры отслеживания как: индекс окончания qa 0,08, угловой порог 75, размер шага 0,675, сглаживание 0,2, минимальная длина 20 мм и максимальная длина 200 мм. Выберите ориентацию высева как «Все», положение семени как «Субволок» и рандомизируйте посев как «Вкл». Используйте интерполяцию трилинейного направления с алгоритмом отслеживания потока (Euler). Для каждой комбинации регионов выше выберите «Прогон отслеживания» в & #34; Fiber Tracts ".
        ПРИМЕЧАНИЕ. Из-за рандомизированного характера отслеживания, четкие «ложные волокна» идентифицируются и выборочно удаляются, а районы избежания отрисовываются вручную как «Новый регион».
    5. Аффинный регистр, извлеченный мозгом T1-взвешенный 3D MP-RAGE-сканер, предоставленный в проекте Project Connect, предназначен для диффузионных данных, используя функцию «Slices -> Insert T1 / T2 Images» DSI-Studio. Создайте поверхностный рендеринг мозга, выбрав «Срезы -> Добавить изоповерхность». Используйте «порог» 665.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Комплекс SMA расположен в задней части верхней лобной извилины. Границы SMA комплекса представляют собой прецентральную бороздку назад, верхнюю лобную борозду - нижнюю - боковую, а поясную борозду - нижнюю медиально 18 . Комплекс SMA состоит из двух частей: пред-SMA спереди и собственно SMA сзади 18 . Существуют различия в отношении соединений белого вещества и функции между этими двумя частями 18 ( фигуры 1А и В ). Мы изучили корковые и подкорковые связи этих двух частей с использованием волоконной диссекции и техники DTI и показали их в трехмерных изображениях.

Ассоциация волокон комплекса SMA

Удаление коры лобной доли обнажило короткие соединительные волокна, tОн так называемые U-волокна, которые соединяют соседние извилин 18 ( фиг.1С ). Короткие соединительные волокна комплекса SMA обеспечивают связь между SMA-комплексом и моторной корой в задней части и между SMA -комплекса и пред-лобной корой вперед 18 ( рисунок 2B ). Они также обеспечивают соединения между pre-SMA и SMA в SMA-комплексе. Наиболее поверхностными длинными ассоциативными волокнами являются верхний продольный фасцикулус II (SLF II) и фронтальная оперкулярная часть SLF III 13 , 36 ( рис. 2A ). Мы удалили SLF II и SLF III прямо перед прецентральной бороздой, чтобы выявить фронтальный аслантный трактат (FAT), который соединяет верхнюю лобную извилину и нижнюю лобную извилину ( рис. 2B ). FAT - это поверхностные ассоциативные волокна, которые возникают из pre-SMA и парс-оперойcularis.

Во время диссекции FAT важно анатомически различать FAT от волокон коронарного излучения, которые проходят параллельно в вертикальной плоскости. Как указывается в литературе, волокна FAT перемещаются наклонно от области SMA к нижнему лобному изгибу и становятся поверхностными в parc opercularis 2 . Однако другие коронарные лучи и клаустрокортикальные волокна глубоко проникают в базальные ганглии, не будучи поверхностными 18 ( рис. 2C , 3C и 3D ).

Другим ассоциативным волокнистым трактом комплекса SMA является SLF I, который соединяет верхнюю теменную долю с верхней лобной долькой (комплекс SMA) и передней поясной корой на медиальной стороне полушария 18,36. Диссекция SLF I выполнялась медиальным до латаПосле декортикации медиальной поверхности полушария ( рис. 2А , 3А и 3В ).

Комиссивные волокна комплекса SMA

Основной путь комиссуральных волокон - это каллозальные волокна, которые соединяют комплекс SMA с контралатеральным SMA комплексом. Каллозальные волокна располагаются между волокнами коронарного, веревочного и волокон SLF I и пересекаются к средней линии через мозолистое тело, чтобы достичь контралатерального комплекса SMA ( фигуры 2А , 4А и 4В ).

Проекционные волокна комплекса SMA

Проекционные волокна состоят из 4-х различных групп волокон, связанных с комплексом SMA: волокон нитевидного отростка, клаустрокортикальных волокон, фронтоцитарного тракта иКортикоспинальный тракт. Цингулярные волокна берут начало от медиальной поверхности полушария, образуя петлю и проходят в пределах поясной извилины. Функция этих волокон состоит в том, чтобы обеспечить связи между комплексом SMA и лимбической системой 18 ( фиг. 2A и 4C ).

Распределение границ клаустрокортикальных волокон представляет собой передний край пред-SMA спереди и заднюю часть теменной доли сзади ( рис. 2D и 4D ). Поэтому волокна, происходящие из клаурума, оканчиваются во всех комплексных областях SMA (до SMA и SMA) 37 .

Фронтальный тракт (FST) соединяет комплекс SMA и дорсальное полосатое тело ( то есть хвостатое ядро ​​и путамен) и перемещается между внешним и внутренним cApsules 18 ( фиг.3С и 3D ). Трудно отличить FST от других внутренних волокон капсулы ( например, таламических плодоножек, переднепоточных волокон и т. Д.), А также от других волокон в вертикальной плоскости ( например, FAT и других волокон коронарного луча) при использовании Метод вскрытия волокон. Тем не менее, Grande et al. Использовали методику DTI, чтобы продемонстрировать, что волокна FST, которые возникают из комплекса SMA, заканчиваются как во внешней, так и в внутренней капсулах 18 . Примерно 10% корковых волокон спинного тракта возникают из собственно SMA и заканчиваются в спинном мозге, но эти волокна не возникают из пре-SMA 38 ( рисунок 4E ).

Рисунок 1
Рисунок 1: Боковые иМедиальная поверхность левого фронтального лепестка. Каждая трехмерная иллюстрация с левой стороны сопровождается помеченными 2D иллюстрациями. Вид сбоку левого полушария: собственно SMA (фиолетовый) и pre-SMA (зеленый); SMA комплекс расположен в задней части верхней лобной извилины, прямо перед прецентральной извилиной ( A ). Левое полушарие медиального вида. Мнимая вертикальная линия на уровне передней комиссуры, перпендикулярная линии, лежащей между передней и задней комиссурами, является границей между собственно SMA (фиолетовым) и пред-SMA (зеленым) ( B ) 39 . После просмотра декортикации. Декортикация подвергает короткие волокна ассоциации, называемые «волокнами U». U-волокна связывают соседние извилинки друг с другом, такие как пре-SMA до собственно SMA и SMA, соответствующие моторной коре ( C ). Пожалуйста, нажмите здесьДля просмотра увеличенной версии этого рисунка.

Рисунок 1
Рисунок 2: Латерально-срединное рассечение волокон. Каждая трехмерная иллюстрация с левой стороны сопровождается помеченными 2D иллюстрациями. Боковой вид; SLF II простирается между угловой извилиной и средней лобной извилиной и заканчивается у parc opercularis и pars triangularis. SLF III соединяет супрамаргинальную извилину и pars triangularis в передней париетальной крышечке. Медиальный вид; SLF I соединяет верхнюю теменную долю с передней поясной корой и медиальную поверхность верхней лобной извилины, которая включает в себя комплекс SMA ( A ). После удаления части SLF II на уровне короны, FAT обнажился ( B ). FAT-волокна перемещаются наклонно от области SMA к нижнему лобному изгибу и становятся поверхностнымиВ parc opercularis. Другие волокна корона-лучистого вещества проникают глубоко в базальные ганглии, не будучи поверхностными ( С ). Другой образец, показывающий открытую границу распределения клаустрокортикальных волокон на кортикальной области, которая находится между передней частью пред-SMA и задней частью теменной доли ( D ). Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 1
Рисунок 3 : Исследование DTI соединений SMA. Волокна SLF видны на сагиттальном срезе ( A ) и корональном срезе ( B ) на DTI. SLF I (желтый); SLF II (оранжевый); SLF III (бирюза). Связь FAT (зеленый) и FST (синий) сагиттальной ( C ) и корональной ( D Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 1
Рисунок 4 : Исследование DTI соединений SMA. Волоконно-каллозальные волокна видны на корональном срезе ( A ) и сагиттальном срезе ( B ) на DTI. Цингулярные волокна (красный) ( C ), клаустрокортикальные волокна (оранжевый) ( D ) и кортикоспинальный тракт (фиолетовый) ( E ), как видно на сагиттальных срезах на DTI. Нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Важность и методы исследования для путей белого вещества

Кора головного мозга воспринимается как главная нервная структура, связанная с 2,5 миллионами лет жизни человека. Приблизительно 20 миллиардов нейронов разделились на различные части, основанные на морфологической и клеточной спецификации 40 . Архитектура каждой из этих кортикальных частей функционально подразделяется на группы, такие как сенсомоторный смысл и движение, эмоциональный опыт и сложные рассуждения. Было установлено, что все поведения у приматов сформированы уникальными анатомо-функциональными связями и регионами, топографически распределенными через кортикальные и подкорковые области нервной системы. Хотя кора головного мозга была исследована в деталях, до сих пор не хватает знаний о путях белого вещества нейронной системы, которые соединяют разные области. Такие районы, как центр полувельяля и корона-радиата, былиПредварительно под макроскопическим взглядом. В течение 1800-х годов исследователи проводили грубую диссекцию обезьян с использованием миелиновых красящих материалов и авторадиографических методов, которые применялись с помощью аминокислот, чтобы понять систему волокон белого вещества. В этих исследованиях были идентифицированы и названы некоторые основные ассоциативные волокна, такие как цингулум и крючковидный фасцикулус. С другой стороны, идентификация других путей белого вещества, таких как дугообразный фасцикулус / верхний продольный пучок и нижний продольный пучок, до сих пор противоречива в литературе 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

Понимание структуры белого вещества очень важно для предоставления подробных сведений об анатомических процессах высокого уровня поведения и строении и функции головного мозга.Более глубокое понимание путей белого вещества также имеет решающее значение для клинических целей. Многие болезни вызывают поражения, влияющие на пути белого вещества. Раньше не было уникальной и правильной методики, которая могла бы использоваться для описания путей распространения волокон, несмотря на усовершенствования методов радиологической визуализации. Техника рассечения трупных волокон, старейшая техника, была идеальным методом для нейроанатомического образования молодых нейрохирургов и лучшим стандартом среди методов трактографии, основанных на методах диффузионного тензора, МР-трактографии, трактографии диффузионного спектра и авторадиографии. Волоконные тракты можно визуализировать in vivo с помощью МРТ; Однако недостатком этого метода является трудность определения терминации и происхождения волоконных путей. Авторадиографический метод может быть использован только у экспериментальных животных. Знание анатомии волокнистого тракта имеет решающее значение для лучшего понимания когнитивных функций, psycHiaric и моторных проявлений после расстройств белого вещества, таких как рассеянный склероз.

Пластичность существует в сером веществе, но не в белом веществе; Любой периодический ущерб белому веществу вызывает необратимый дефицит у пациента (Schmahmann et al. ). Это делает анатомию волоконных путей более ценной в нейрохирургии 46 . Во время предоперационного хирургического планирования для удаления внутриосевых поражений следует учитывать расположение и смещение важных путей волокон, таких как дугообразный пучок, оптическое излучение и кортикоспинальный тракт для успешной операции. Анатомические знания вместе с предоперационной МР-трактографией обеспечивают надежную оценку и хирургическое планирование для каждого пациента. В то же время, проведение рассечения трупных волокон под операционным микроскопом помогает улучшить навыки рук хирурга и обеспечивает более глубокое понимание комплекса брАнатомии в трех измерениях. Чтобы достичь этих результатов, хирург должен провести время в лаборатории микрохирургии. Он / она должен сосредоточиться только на волокнистых путях во время вскрытия, а не на том, что он / она хотел бы видеть. С другой стороны, сегодня усовершенствования методов визуализации DTI позволили идентифицировать основные пути распространения волокон in vivo , как в нормальном мозге, так и в клинических ситуациях, когда повреждается волокнистая система. Первоначально этот метод не предоставлял никакой информации о начальных и конечных областях основных расслоений волокон и был эффективен только в определении расширений. Однако с развитием МРТ-трактографии и изображений диффузного спектра (DSI) были предприняты важные шаги для понимания нормальной анатомии мозга in vivo и клинических исследований 47 , 48 , 49 . В последние годы было предложено, чтобы картирование путей белого веществаОчень важно для предотвращения послеоперационного дефицита. Также полезно выполнить интраоперационное электрическое картирование белого вещества, чтобы помочь защитить значительные подкорковые структуры и их функции 50 , 51 . Таким образом, анатомия лобной области и пути белого вещества должна быть понята полностью для хирургии лобной глиомы.

Анатомические особенности и клиническое значение SMA комплекса

Макроанатомическая пограничная линия между пре-SMA и собственно SMA принимается как вертикальная воображаемая линия, проходящая через уровень передней спайки 18 , 39 . Кроме того, пред-SMA и собственно SMA имеют различия в плане их функций. Хотя собственно SMA имеет соматотопические задачи, pre-SMA имеет соматосенсорную организацию 19 . В основном, собственно SMA отвечает заE активация, управление и генерация движения, в то время как pre-SMA отвечает за когнитивные и немоторные задачи 8 .

Пациенты с поражением пред-SMA присутствуют с различными степенями нарушения речи, начиная с полной неспособности инициировать речь ( то есть, с мутизмом) до легкой измененной беглости 52 . Как и было предсказано с помощью данных нейрохирургической электростимуляции, резекция или повреждение комплекса SMA вызывает отрицательный моторный ответ в моторных и речевых функциях и в конечном итоге приводит к синдрому SMA. Синдром SMA представляет собой сложный нейрохирургический синдром инициирования, который варьируется от полной потери моторного и речевого образования, такого как акинетический мутизм, до ослабленных спонтанных движений и речи 18 , 53 . Поэтому подкорковые связи волоконного тракта комплекса SMA играют важную роль в хирургическом планировании.

Волоконные трассы комплекса SMA

В этом исследовании мы изучили все связи комплекса SMA, такие как FAT, FST, волокна коротких ассоциаций, SLF I, волокна каллозальной ткани, волокна нитевидных отростков и клаустрокортикальные волокна с использованием диссекции трупных волокон и методов DTI, которые были определены в литературе Последние годы 8 , 13 , 18 . Мы показали и подтвердили результаты вскрытия волокна с помощью DTI. Тем не менее, трудно отделить некоторые проекционные пути белого вещества, такие как FST и кортикоспинальный тракт (CST) от других пучков коронирующих волокон, посредством анатомического рассечения. Таким образом, мы смогли более точно показать топографическую анатомию этих двух пучков волокон с помощью DTI. Кроме того, способность исследовать in vitro и отображать глубокие пучки волокон в деталях - вот еще одно преимущество исследования DTI.

SLF I представляет собой длинное волокно ассоциации, которое связывает precuneus (верхнюю теменную долю) с SMA комплексом и cingulate cortex. SLF I имеет функции, относящиеся как к лимбической системе, соединяясь с передней коры головного мозга, так и двигательной системой, путем соединения с верхней теменной долей 13 , 18 , 36 , 54 .

Задняя часть верхней и нижней лобной извилины соединяется с прямой системой, состоящей из FAT, которая была вновь определена с помощью методов DTI 2, а затем с помощью методов вскрытия волокон 18 . Проекция этого пути находится в пред-SMA и SMA собственно в верхней лобной извилине и pars opercularis в нижней лобной извилине 18 . Форд и др. Продемонстрировала структурную связь между SMA иBroca в первый раз, поддерживая функциональную роль SMA в качестве коры 55 для обработки речи. В дополнение к SLF I FAT представляет собой прямой путь, связывающий parc opercularis с передним пояском и пред-SMA, о чем свидетельствуют результаты этого исследования. Catani et al. Определяли FAT через DTI и сообщали, что кортикальная атрофия соединительных зон FAT на SMA-комплексе (пред-SMA и передняя часть собственно SMA) и передняя извилина у пациентов с первичной прогрессирующей афазией может приводить к нарушениям словесной беглости 46 . Предыдущие исследования показали, что FAT также могут быть связаны с трудностями инициации речи и нарушениями речи. 22 .

FST состоит из проекционных волокон, которые соединяют пре-SMA и стриатум ( то есть хвостатое ядро ​​и путамен). В предыдущих исследованиях точки окончания FST в базальном гаNglia были не очень ясны. Однако в последних всесторонних исследованиях DTI также было показано, что FST происходит от пре-SMA и заканчивается во внутренней капсуле и на боковой поверхности путамен 20 , 21 , 22 . В дополнение к этому, в другом исследовании DTI было показано, что FST оканчивается как на латеральной, так и на медиальной поверхностях потамена 18 . Функционально, Duffau et al. Демонстрировали анартрию и / или прекращение движения во время интраоперационной прямой электрической стимуляции пороха, механизм которой наиболее вероятен через фитосанитарные соединения FST 21 .

Кортикоспинальный тракт соединяет собственно SMA и первичный моторный кортекс с спинным мозгом, но пре-SMA не имеет волокон кортикоспинального тракта 24 . В исследовании электростимуляции, проведенном Duffao > И др. , Арест движения наблюдался путем стимуляции области SMA в контралатеральной верхней конечности. Считалось, что это может произойти из-за соединения SMA со спинным мозгом кортикоспинальным трактом и контралатеральной SMA каллозальными волокнами 18 , 56 .

Клаустрокортикальные волокна соединяются между клаурумом в центральном ядре и широкой областью между передним краем пред-SMA и задней частью теменной доли 13 . Функционально клаустрокортикальные волокна, как полагают, играют роль в сознании и в координации информации, поступающей из зрительной области коры, лимбической системы и соматосенсорной и моторной коры 27 . Поэтому считалось, что клаустрокортикальные пучки волокон между SMA-комплексом и клаурумом могут играть роль в выполнении более высоких моторных и речевых действий> 18.

Хотя в предыдущих исследованиях было указано, что соединение SMA комплекса с извилистой извилиной происходит через короткие соединительные волокна, в недавнем анатомическом исследовании было обнаружено, что эти соединения обеспечиваются непосредственно сцингулярными волокнами 18 . Функционально было заявлено, что этот путь играет роль в моторной обработке негативной эмоциональной стимуляции между SMA и лимбической корой 18 .

В последние годы клиническое значение комплекса SMA ( например, синдром SMA и отрицательный моторный ответ) было выявлено в результате увеличения числа исследований электростимуляции. Поэтому важность топографической анатомии и подкорковых связей СМА постепенно подчеркивалась. Крайне важно получить лучшее понимание топографической анатомии, особенно с помощью трехмерных анатомических исследований, и использовать клинические особенности этих соединений для планирования операции,

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не заявляют каких-либо конкурирующих финансовых интересов и источников финансирования и поддержки, в том числе для оборудования и медикаментов.

Acknowledgments

Данные были частично предоставлены проектом «Коннекшен человека», консорциумом WU-Minn (главные исследователи: Дэвид Ван Эссен и Камил Угурбил, 1U54MH091657), финансируемый 16 институтами и центрами NIH, которые поддерживают NIH Blueprint для исследования нейронов; И Центром McDonnell по неврологии в Вашингтоне. Рисунки 2A и 2D были воспроизведены с разрешения коллекции Rhoton 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899).

Materials

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nieuwenhuys, R., Voogd, J., Huijzen, C. V. The Human Central Nervous System. , 4th edi, 620-649 (2008).
  2. Catani, M., Acqua, F., Vergani, F., Malik, F., Hodge, H. Short frontal lobe connections of the human brain. Cortex. 48, 273-291 (2012).
  3. Duffau, H., Capelle, L. Preferential brain locations of low-grade gliomas. Cancer. 100 (12), 2622-2626 (2004).
  4. Yasargil, M. G., Türe, U., Yasargil, D. C. Impact of temporal lobe surgery. J Neurosurg. 101 (05), 725-738 (2004).
  5. Türe, U., Yasargil, M. G., Friedman, A. H., Al-Mefty, O. Fiber dissection technique: lateral aspect of the brain. Neurosurgery. 47 (2), 417-427 (2000).
  6. Burger, P. C., Heinz, E. R., Shibata, T., Kleihues, P. Topographic anatomy and CT correlations in the untreated glioblastoma multiforme. J Neurosurg. 68 (5), 698-704 (1998).
  7. New concepts in surgery of WHO grade II gliomas: Functional brain mapping, connectionism and plasticity-a review. J Neurooncol. 79 (1), 77-79 (2006).
  8. White matter connections of the supplementary motor area in humans. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 85 (12), 1377-1385 (2014).
  9. Luppino, G., Matelli, M., Camarda, R., Rizzolatti, G. Corticocortical connections of area F3(SMA-proper) and area F6(pre-SMA)in the macaque monkey. J. Comp.Neurol. 338, 114-140 (1993).
  10. Akkal, D., Dum, R. P., Strick, P. L. Supplementary motor area and presupplementary motor area: targets of basal ganglia and cerebellar output. J. Neurosci. 27, 10659-10673 (2007).
  11. Behrens, T. E. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat. Neurosci. 6, 750-757 (2003).
  12. Potgieser, A. R. E., de Jong, B. M., Wagemakers, M., Hoving, E. W., Groen, R. J. M. Insights from the supplementary motor area syndrome in balancing movement initiation and inhibition. Frontiers in Human Neuroscience. 28 (8), 960 (2014).
  13. Yagmurlu, K., Vlasak, A. L., Rhoton Jr, A. L. Three-Dimensional Topographic Fiber Tract Anatomy of the Cerebrum. Neurosurgery. 2, epub 274-305 (2015).
  14. Fernández-Miranda, J. C., Rhoton Jr,, L, A., Álvarez-Linera, J., Kakizawa, Y., Choi, C., de Oliveira, E. P. Three-dimensional microsurgical and tractographic anatomy of the white matter of the human brain. Neurosurgery. 62 (6 Suppl 3), 989-1026 (2008).
  15. Couzin, J. Crossing a frontier: Research on the dead. Science. 299 (5603), 29-30 (2003).
  16. University of Minnesota. Research Ethics. , Available from: https://www.ahc.umn.edu/img/assets/26104/Research Ethics/pdf (2016).
  17. Ludwig, E., Klingler, J. Der innere Bau des Gehirns dargestellt auf Grund makroskopischer Präparate. The inner structure of the brain demonstrated on the basis of macroscopical preparations. Atlas cerebri humani. , 1-36 (1956).
  18. Bozkurt, B. The Microsurgical and Tractographic Anatomy of the Supplementary Motor Area Complex in Human. J World Neurosurg. 95, 99-107 (1956).
  19. Lehericy, S. 3-D diffusion tensor axonal tracking shows distinct SMA and pre-SMA projections to the human striatum. Cereb Cortex. 14, 1302-1309 (2004).
  20. Duffau, H. Intraoperative mapping of the cortical areas involved in multiplication and subtraction: an electrostimulation study in a patient with a left parietal glioma. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 73 (6), 733-738 (2002).
  21. Kinoshita, M. Role of fronto-striatal tract and frontal aslant tract in movement and speech: an axonal mapping study. Brain Struct Funct. 220 (6), 3399-3412 (2015).
  22. Shimizu, S. Anatomic dissection and classic three-dimensional documentation: a unit of education for neurosurgical anatomy revisited. Neurosurgery. 58 (5), E1000 (2006).
  23. Connectome Database. , Available from: https://db.humanconnectome.org (2016).
  24. Moeller, S. Multiband multislice GE-EPI at 7 tesla, with 16-fold acceleration using partial parallel imaging with application to high spatial and temporal whole-brain fMRI. Magn Reson Med. 63 (5), 1144-1153 (2010).
  25. Feinberg, D. A. Multiplexed Echo Planar Imaging for sub-second whole brain fMRI and fast diffusion imaging. PLoS One. 5, e15710 (2010).
  26. Setsompop, K. Blipped-controlled aliasing in parallel imaging for simultaneous multislice echo planar imaging with reduced g-factor penalty. Magn Reson Med. 67 (5), 1210-1224 (2012).
  27. Xu, J. Highly accelerated whole brain imaging using aligned-blipped-controlled-aliasing multiband EPI. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2306 (2012).
  28. Glasser, M. F. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. Neuroimage. 80, 105-124 (2013).
  29. Free Surfer Software Suite. Harvard University. , Available from: http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu (2016).
  30. FSL. Software Library. , Available from: http://fsl.fmrib.ox.ac.uk (2016).
  31. Jenkinson, M., Bannister, P. R., Brady, J. M., Smith, S. M. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).
  32. Andersson, J. L., Skare, S., Ashburner, J. How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging. NeuroImage. 20 (2), 870-888 (2003).
  33. Andersson, J., Xu, J., Yacoub, E., Auerbach, E., Moeller, S., Ugurbil, K. A comprehensive Gaussian process framework for correcting distortions and movements in diffusion images. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2426 (2012).
  34. DSI Sudio. , Available from: http://dsi-studio.labsolver.org (2016).
  35. Yeh, F. C., Wedeen, V. J., Tseng, W. Y. Generalized q-sampling imaging. IEEE Trans Med Imaging. 29 (9), 1626-1635 (2010).
  36. Makris, N. Segmentation of subcomponents within the superior longitudinal fascicle in humans: a quantitative, in vivo DT-MRI study. Cereb Cortex. 15 (6), 854-869 (2005).
  37. Fernández-Miranda, J. C., Rhoton, A. L. Jr, Kakizawa, Y., Choi, C., Alvarez-Linera, J. The claustrum and its projection system in the human brain: a microsurgical and tractographic anatomical study. J Neurosurg. 108 (4), 764-774 (2008).
  38. Maier, M. A., Armand, J., Kirkwood, P. A., Yang, H. W., Davis, J. N., Lemon, R. N. Differences in the corticospinal projection from primary motor cortex and supplementary motor area to macaque upper limb motoneurons:an anatomical and electrophysiological study. Cereb. Cortex. 12, 281-296 (2002).
  39. Picard, N., Strick, P. L. Imaging the premotor areas. Curr. Opin. Neurobiol. 11, 663-672 (2001).
  40. Pakkenberg, B., Gundersen, H. J. G. Neocortical neuron number in humans: effect of sex and age. Journal of Comparative Neurology. 384 (2), 312-320 (1997).
  41. Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 237-294 (1965).
  42. Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 585-644 (1965).
  43. Goldman-Rakic, P. S. Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex. Annu Rev Neurosci. 11 (1), 137-156 (1988).
  44. Mesulam, M. M. From sensation to cognition. Brain. 121 (6), 1013-1052 (1998).
  45. Mesulam, M. Large-scale neurocognitive networks and distributed processing for attention, language, and memory. Ann Neurol. 28 (5), 597-613 (1990).
  46. Schmahmann, J. D., Pandya, D. N. Fiber pathways of the brain. 8, Oxford University Press. Oxford. 393-409 (2006).
  47. Bammer, R., Acar, B., Moseley, M. E. In vivo MR tractography using diffusion imaging. Eur J Radiol. 45 (3), 223-234 (2003).
  48. Catani, M., Howard, R. J., Pajevic, S., Jones, D. K. Virtual in vivo interactive dissection of white matter fasciculi in the human brain. Neuroimage. 17 (1), 77-94 (2002).
  49. Lin, C. P., Wedeen, V. J., Chen, J. H., Yao, C., Tseng, W. Y. I. Validation of diffusion spectrum magnetic resonance imaging with manganese-enhanced rat optic tracts and ex vivo phantoms. Neuroimage. 19 (3), 482-495 (2003).
  50. Bello, L., Acerbi, F., Giussani, C., Baratta, P., Taccone, P., Songa, V. Intraoperative language localization in multilingual patients with gliomas. Neurosurgery. 59 (1), 115-125 (2006).
  51. Bernstein, M. Subcortical stimulation mapping. J Neurosurg. 100 (3), 365 (2004).
  52. Ackermann, H., Riecker, A. The contribution(s) of the insula to speech production: a review of the clinical and functional imaging literature. Brain Struct Funct. 214, 419-433 (2010).
  53. Krainik, A. Role of the healthy hemisphere in recovery after resection of the supplementary motor area. Neurology. 62, 1323-1332 (2004).
  54. Ford, A., McGregor, K. M., Case, K., Crosson, B., White, K. D. Structural connectivity of Broca's area and medial frontal cortex. Neuroimage. 52, 1230-1237 (2010).
  55. Catani, M., Mesulam, M. M., Jakobsen, E., Malik, F., Martersteck, A., Wieneke, C., Thompson, C. K., Thiebaut de Schotten, M., Dell'Acqua, F., Weintraub, S., Rogalski, E. A novel frontal pathway underlies verbal fluency in primary progressive aphasia. Brain. 136, 2619-2628 (2013).
  56. Rech, F., Herbet, G., Moritz-Gasser, S., Duffau, H. Disruption of bimanual movement by unilateral subcortical electrostimulation. Human Brain Mapping Annual Meeting. 35 (7), 3439-3445 (2014).
  57. The Rhoton Collection. Login page. , Available from: http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899 (2016).

Tags

Neuroscience Дополнительная моторная область расслоение волокон Диффузионная тензорная трактография трехмерная документация пути белого вещества ассоциативные волокна комиссуральные волокна проекционные волокна
Оптические соединения дополнительной моторной зоны: методология волоконного рассечения, DTI и трехмерной документации
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter