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Neuroscience

Conexiones de Fibra del Área de Motor Suplementario Revisited: Metodología de la Dissección de Fibra, DTI, y Documentación Tridimensional

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

El propósito de este estudio es mostrar cada paso de la técnica de disección de fibra sobre el cerebro de cadáver humano, la documentación en 3D de estas disecciones y la imagen de tensor de difusión de las vías de fibras anatómicamente disecadas.

Abstract

El objetivo de este estudio es mostrar la metodología para el examen de las conexiones de materia blanca del complejo de área motora suplementaria (SMA y SMA) utilizando una combinación de técnicas de disección de fibra sobre especímenes de cadáveres y resonancia magnética (MR ) Tractografía. El protocolo también describirá el procedimiento para una disección de la sustancia blanca de un cerebro humano, una tractografía de tensor de difusión y una documentación tridimensional. Las disecciones de fibra en el cerebro humano y la documentación en 3D se realizaron en la Universidad de Minnesota, Microcirugía y Neuroanatomía del Departamento de Neurocirugía. Se prepararon cinco especímenes de cerebro humano postmortem y dos cabezas enteras de acuerdo con el método de Klingler. Los hemisferios cerebrales fueron disecados paso a paso de lateral a medial y medial a lateral bajo un microscopio de funcionamiento, y las imágenes 3D fueron capturadas en cada etapa. Todos los resultados de la disección fueron apoyados por tensor de difusiónImágenes Las investigaciones sobre las conexiones en línea con la clasificación de las fibras de Meynert, incluidas las fibras de asociación (fascículo corto superior, fascículo superior superior I y tracto frontal aslante), fibras de proyección (corticospinal, claustrocortical, cingulum y tracto frontostriatal) y fibras comisurales También realizado.

Introduction

Entre las 14 áreas frontales delimitadas por Brodmann, el área premotora y prefrontal que se encuentra frente a la corteza motora precentral ha sido considerada como un módulo silencioso, a pesar de que el lóbulo frontal desempeña un papel importante en la cognición, el comportamiento, el aprendizaje, Y procesamiento del habla. Además del complejo de área motora suplementaria (SMA), que consiste en el pre-SMA y el SMA propiamente dicho (área de Brodmann, BA 6) que se extiende medialmente, el módulo pre-motor / frontal incluye el prefrontal dorsolateral (BA 46,8, Y 9), frontopolar (BA 10), ventrolateral prefrontal (BA 47), así como parte de la corteza orbitofrontal (BA 11) en la superficie lateral del cerebro 1 , 2 .

El complejo SMA es un área anatómica significativa que se define por sus funciones y sus conexiones. La resección y el daño de esta región causa deficiencias clínicas significativas conocidas como SMAsíndrome. El síndrome de SMA es una condición clínica importante que se observa particularmente en los casos de glioma frontal que contienen el complejo SMA 3 . El complejo SMA tiene conexiones con el sistema límbico, los ganglios basales, cerebelo, tálamo, SMA contralateral, lóbulo parietal superior y porciones de los lóbulos frontales a través de los tractos de fibra. El efecto clínico del daño a estas conexiones de la sustancia blanca puede ser más severo que a la corteza. Esto se debe a que las consecuencias de la lesión de la corteza se pueden mejorar con el tiempo debido a la alta plasticidad cortical 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Por lo tanto, la anatomía regional SMA y las vías de la materia blanca debe ser deeplY entendido, en particular para la cirugía de glioma.

Una comprensión integral de la anatomía de las vías de la materia blanca es importante para el tratamiento de amplio espectro de lesiones neuroquirúrgicas. Recientes estudios de la documentación tridimensional de los resultados anatómicos que se obtuvieron en microcirugía se utilizaron para obtener una mejor comprensión de la anatomía topográfica y la interrelación de las vías de la sustancia blanca del cerebro [ 13 , 14] . Por lo tanto, el propósito de este estudio fue examinar las conexiones de la sustancia blanca del complejo SMA (pre-SMA y SMA propiamente dicho) utilizando una combinación de técnicas de disección de fibra sobre especímenes de cadáveres y tractografía por resonancia magnética (MRI) y explicar todos los métodos Y los principios de ambas técnicas y su documentación detallada.

Planificación y Estrategia de Estudio

Antes de realizar los experimentos, un litroLos procedimientos que deben aplicarse a los especímenes antes y durante las disecciones, y todas las conexiones entre las regiones SMA que se han revelado con disección y DTI. Se revisaron los estudios previos sobre localización y separación anatómica de las regiones pre-SMA y SMA-propias y sobre la anatomía topográfica de sus conexiones.

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Protocol

Los difuntos se incluyen aquí como una población, aunque las personas fallecidas no son técnicamente sujetos humanos; Los sujetos humanos son definidos por 45 CF 46 como "seres humanos vivos 15 , 16 ".

1. Preparación de muestras

  1. Examinar 5 cerebros fijos en formalina (10 hemisferios) y 2 cabezas humanas enteras.
  2. Fijar los especímenes en una solución de formalina al 10% durante al menos 2 meses según el método de Klingler 17 .
  3. Congele todas las muestras a -16 ˚C durante 2 semanas de acuerdo con el método de Klinger 17 .
  4. Descongele los especímenes bajo el agua del grifo.
  5. Realizar una craneotomía frontotemporal extendida en la cabeza cadavérica para exponer el cerebro.
    1. Coloque la cabeza del cadáver en una abrazadera del cráneo del tres-perno ( tabla del material ).
    2. Haga una incisión frontotemporal con un bisturí.
    3. Retire la piel y los músculos con un escalpelo, fórceps y tijeras.
    4. Hacer uno o más orificios de perforación en el cráneo hasta que se alcance la duramadre; Utilice un taladro con un reductor de velocidad compacto y un accesorio de perforador craneal de 14 mm a 79.000 rpm ( tabla de materiales).
    5. Corte la tapa del hueso y abra el cráneo con un router acanalado de 2 mm x 15,6 mm con un accesorio de rebabas de 2,1 mm en forma de clavija a una velocidad de perforación de 80.000 rpm ( tabla de materiales).
  6. Retire la duramadre, la aracnoides y la pia-madre y disecar usando un microdisector bajo un microscopio a una ampliación de 6X a 40X 5 , 18 ( tabla de materiales).

2. Técnica de la disección de la fibra

NOTA: Realice todas las disecciones bajo una ampliación de 6X a 40X en un microscopio quirúrgico.

  1. Realizar las disecciones de fibra de una manera escalonada en cada hemisfemaRe, de lateral a medial y medial a lateral.
    1. Decorar la corteza cerebral utilizando un disector de panfield ( Tabla de Materiales) y eliminar todos los tejidos corticales frontales para exponer los tramos de fibras de asociación cortos, que son fibras U o fibras intergriales que interconectan los giros vecinos 5 , 13 .
    2. Retire las fibras de asociación cortas con un disector de panfield y un micro gancho quirúrgico recortando suavemente bajo el microscopio ( Tabla de Materiales) para alcanzar y exponer las fibras de asociación largas que interconectan áreas distantes en el mismo hemisferio.
    3. Ir profundamente en las fibras largas de la asociación para quitar las fibras superficiales de la asociación usando un micro gancho quirúrgico y un disector del panfield; Retire cada haz de fibras bajo un microscopio ( tabla de materiales) para exponer las fibras comisurales de la proyección.
    4. Ver cada una de las conexiones del complejo SMASegún la anatomía topográfica previamente definida en la literatura 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Mantenga todos los especímenes (cabezas enteras y cerebros) que se utilizaron durante las disecciones en una solución de formaldehído al 10% ( tabla de materiales) entre los períodos de disección.

3. Técnica de fotografía 3D

  1. Utilice una plataforma de color negro durante la fotografía de los especímenes.
  2. Sigue una técnica de fotografía 3D 22 .
    1. Coloque cada espécimen en una plataforma de color negro diseñada.
    2. Seleccione una escena con una vista frontal completa de la muestra y realice una toma enfocando la cámara en cualquier punto de la muestra cerca del punto central de la pantalla de la cámara (pestaña del instrumentoLe). Utilice un objetivo SLR de 18 a 55 mm f / 3.5-5.6 o una lente macro de 100 mm f / 2.8L y ajuste la abertura a F29, ISO 100.
    3. Gire la cámara ligeramente hacia la izquierda hasta que el punto más a la derecha en la pantalla de la cámara sea el mismo que el punto de enfoque anterior. Deslice la cámara hacia la derecha hasta que el punto medio de la pantalla se superponga al punto de enfoque original de la muestra. Enfoque la cámara en este punto y tome otra foto.
    4. Mantenga la distancia y el eje de la cámara a la muestra fotografiada a valores constantes.
  3. Cree una imagen 3D utilizando un programa de generador de imágenes en 3D (tabla de materiales).
    1. Abra el programa de software 3D.
    2. Elija "Abrir imágenes estéreo de archivo".
    3. Seleccione las dos imágenes (izquierda y derecha) y asegúrese de que la imagen izquierda esté en la ranura izquierda y la imagen derecha esté en la ranura derecha.
    4. Seleccione la opción "Half color anaglyph RL / 2" y genere el anaglifo en formato jpeg.

4. Técnica DTI

  1. Adquirir datos de difusión pre-procesados ​​utilizando los datos de difusión del Proyecto Connectome Humano 23 descargándolos del sitio web referenciado.
    Se obtuvieron los datos de difusión en voluntarios normales utilizando un dispositivo modificado de resonancia magnética 3 T (tabla de instrumentos) que utilizaba una secuencia de imágenes planas de eco eco-eco (EPI) Aceleración de imagen de banda 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Los parámetros de secuencia relevantes incluyen: TR = 5,520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matriz = 168 x 144; Grosor de rebanada = 1,25 mm (tamaño de vóxel 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Factor multibanda = 3; Y valores de b = 1.000 s / mm2 (95 direcciones), 2.000 s / mm2 (96 direcciones) y 3.000 s / mm2 (97 direcciones). Los datos se procesaron utilizando FreeSurfer 29 y FSL 30 ; El proceso incluyó corrección de corrientes parásitas, corrección de movimiento, normalización de intensidad b0, corrección de distorsión de susceptibilidad y corrección de gradiente-no linealidad 28 , 31 , 32 , 33 . Las imágenes MP-RAGE T1 también se incluyen en el paquete de descarga. Los procedimientos se documentan en el manual de procedimientos del Proyecto Connectome Humano 23 .
  2. Post-procesar los datos de difusión utilizando Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 para generar una función estimada de distribución de orientación por difusión en voxel (ODF) empleando un algoritmo de generalización de imágenes de muestreo q (GQI) 35 .
    1. Cargue el dataset descargado en el software por selEctando "STEP1: Open source images" y seleccionando el archivo data.nii.gz.
    2. Seleccione el botón "STEP2: Reconstruction". Después de verificar la máscara cerebral, proceda con el "Paso 2" y seleccione "GQI" como método de reconstrucción. Seleccione "ponderación r ^ 2" con una "relación de longitud" de "1.0". Deje las selecciones restantes como predeterminadas.
    3. Seleccione "Ejecutar reconstrucción".
  3. Coloque las semillas apropiadas para las regiones de interés para agilizar el seguimiento de la fibra.
    1. En la "Ventana de Región", haga clic en el botón "Atlas" para colocar las semillas para el fascículo longitudinal superior (SLF) I. Seleccione "Brodmann" y agregue "Región 6" y "Región 7." En la ventana de región, establezca el tipo "Región 6" como "semilla" y el tipo "Región 7" en "región de inclusiones" (ROI).
      1. Seleccione "Nueva región" en la ventana de región y dibuje manualmente un ROIEn el aspecto más posterior del giro frontal superior en el plano coronal. Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    2. Coloque las semillas para SLF II de manera similar usando "New Region" en la ventana de la región y dibujando la región "seed" en el aspecto posterior de la materia blanca del gyrus frontal medio en el plano coronal. Elija un ROI usando "Atlas" (como en el paso 4.3.1) y las regiones Brodmann 9, 10, 46, 39 y 19. Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    3. Coloque las semillas para SLF III con una región "semilla", usando "Atlas" (como en el paso 4.3.1) en la ventana de región y eligiendo "Región 40" del Atlas de Brodmann y el ROI de "Atlas ..." en "Región 40 "Y" Región 44 ". Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    4. Colocar las semillas para las fibras callosas usando "Nueva Región" en la ventana de la región y dibujar una "semilla" en el plano sagital que abarcaE corpus callosum. Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    5. Coloque las semillas para fibras cinguladas utilizando "Nueva Región" en la ventana de región y dibuje una región de "semilla" en el giro medio cingulado en la vista coronal. Utilice "Nueva Región" para dibujar dos ROIs, uno en el cíngulo más anterior y otro en el giro cingulado posterior bajo la vista coronal. Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    6. Coloque las semillas para las fibras claustrocortical usando la "nueva región" en la ventana de la región y dibuje una "semilla" en el claustrum con un ROI en la corona radiata usando la función del "Atlas ...". Seleccione el atlas como "JHU-WhiteMatter-labels-1mm".
      1. Seleccione y añada "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" y "Superior_corona_radiata". Dibuje una región de evitación para todas las fibras que pasan a través de un plano inferior al nivel del claustrum en el plano axial usando "New Region"En la ventana de región Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    7. Coloque las semillas para el tracto corticoespinal usando una "semilla" de la función "Atlas ..." en la ventana de la región; Seleccione "JHU-WhiteMatter-labels-1mm" y agregue la región "Corticospinal_tract". Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    8. Colocar semillas para el tracto aslante frontal (FAT) utilizando una región "semilla" de la función "Atlas ..." en la ventana de región y seleccionar el ROI de Brodmann y el ROI de "Región 6" en "Región 44" y "Región 45". " Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4.
    9. Coloque las semillas para el tracto frontostriatal (FST) con una "semilla" en la "Región 6" usando la función "Atlas ...". Insertar nuevas regiones en el "caudado", "putamen" y "globus pallidus" del atlas "HarvardOxfordSub" y establecer el tipo en la ventana de la región a "fin."
      NOTA: El seguimiento de las fibras para la FST se realizará seleccionando la semilla de la Región 6 y sólo una de las semillas subcorticales por sesión de seguimiento ( es decir, la región 6 y el caudado, seguida por la región 6 y el putamen y finalmente la región 6 y el globo Pallidus).
      1. Realice el seguimiento de fibra como se describe en el paso 4.4 para cada combinación.
  4. Realice el seguimiento de fibra para cada una de las combinaciones anteriores.
    1. En la ventana "Opciones", establezca los parámetros de seguimiento como: índice de terminación de qa de 0,08, umbral angular de 75, paso de 0,675, suavizado de 0,2, longitud mínima de 20 mm y longitud máxima de 200 mm. Seleccione la orientación de la semilla como "Todos", la posición de la semilla como "Subvoxel" y aleatorice la siembra como "Activada". Utilizar la interpolación de la dirección trilineal con un algoritmo de seguimiento de Eline (Euler). Para cada combinación de regiones arriba, elija "Ejecutar seguimiento" en el & #34: Tramas de fibra ".
      NOTA: Debido a la naturaleza aleatoria del seguimiento, se identifican "fibras falsas" claras y se eliminan selectivamente, con regiones de evitación dibujadas a mano como "Nueva Región".
  5. Affine registra la exploración 3D MP-RAGE 3D, extraída por el cerebro, proporcionada en el conjunto de datos del Proyecto Connectome Humano a los datos de difusión usando la función "Slices -> Insert T1 / T2 Images" de DSI-Studio. Genere una representación superficial del cerebro seleccionando "Slices -> Add Isosurface". Utilice un "umbral" de 665.

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Representative Results

El complejo SMA está situado en la parte posterior del giro frontal superior. Los bordes del complejo SMA son el surco precentral posterior, el surco frontal superior inferior-lateralmente y el sulcus cingulado inferior-medial 18 . El complejo SMA consta de dos partes: la pre-SMA anterior y la SMA propiamente posterior 18 . Existen diferencias en términos de conexiones de materia blanca y función entre estas dos partes 18 ( Figura 1A y B ). Se estudiaron las conexiones corticales y subcorticales de estas dos partes mediante técnicas de disección de fibra y DTI y se mostraron en imágenes 3D.

Fibras de Asociación del Complejo SMA

La eliminación de la corteza del lóbulo frontal expuso las fibras de asociación cortas, tLas llamadas fibras U, que interconectan el giro vecino 18 ( figura 1C ). Las fibras de asociación cortas del complejo SMA proporcionan conexiones entre el complejo SMA y la corteza motora posterior y entre el complejo SMA y la corteza prefrontal anteriormente 18 ( Figura 2B ). También proporcionan conexiones entre el pre-SMA y el SMA propiamente dicho en el complejo SMA. Las fibras de asociación largas más superficiales son el fascículo II superior superior (SLF II) y la parte opercular frontal del SLF III 13 , 36 ( Figura 2A ). Se retiró el SLF II y el SLF III justo delante del surco precentral para exponer el tracto aslante frontal (FAT), que interconecta el giro frontal superior y el giro frontal inferior ( Figura 2B ). Las FAT son fibras de asociación superficial que surgen de la pre-SMA y la pars operCularis.

Durante la disección de FAT, es crítico distinguir anatómicamente el FAT de las fibras del corona radiata, que funcionan paralelas en el plano vertical. Como indica la literatura, las fibras FAT viajan oblicuamente de la región SMA al gyri frontal inferior y se hacen superficiales en pars opercularis 2 . Sin embargo, otros corona radiata y las fibras claustrocortical corren profundamente a los ganglios basales sin ser superficial 18 ( Figura 2C , 3C y 3D ).

Otra asociación fibrosa del complejo SMA es SLF I, que conecta el lóbulo parietal superior con el lóbulo frontal superior (complejo SMA) y la corteza cingulada anterior en el lado medial del hemisferio 18 , 36 . La disección de SLF I se realizó medial a latDespués de la decorticación de la superficie medial del hemisferio ( Figura 2A , 3A y 3B ).

Fibras Commissurales del Complejo SMA

La principal vía de fibra comisural son las fibras callosas, que conectan el complejo SMA con el complejo SMA contralateral. Las fibras callosas se colocan entre las radiaciones corona, cingulum y SLF I y cruzan a la línea media a través del cuerpo calloso para alcanzar el complejo contralateral SMA ( Figura 2A , 4A y 4B ).

Fibras de Proyección del Complejo SMA

Las fibras de proyección constan de 4 grupos de fibras diferentes relacionados con el complejo SMA: las fibras del cingulum, las fibras claustrocortical, el tracto frontocitriatal yTracto corticospinal. Las fibras cingulares se originan de la superficie medial del hemisferio para formar el cíngulo y correr dentro del giro cingulado. La función de estas fibras es proporcionar conexiones entre el complejo SMA y el sistema límbico 18 ( Figura 2A y 4C ).

La distribución de las fronteras de las fibras claustrocor- ticas es el borde anterior del pre-SMA anterior- mente y la parte posterior del lóbulo parietal posterior- mente ( fig. 2D y 4D ). Por lo tanto, las fibras originarias del claustrum terminan en todas las áreas complejas SMA (pre-SMA y SMA propiamente dicho) 37 .

El tracto frontostriatal (FST) conecta el complejo SMA y el estriado dorsal ( es decir, núcleo caudado y putamen) y viaja entre el c externo e internoLas ápsulas 18 ( Figura 3C y 3D ). Es difícil distinguir la FST de otras fibras internas de la cápsula ( por ejemplo, los pedúnculos talámicos, las fibras frontopontinas, etc.), así como de otras fibras en el plano vertical ( por ejemplo, FAT y otras fibras de corona radiata) Técnica de disección de fibras. Sin embargo, Grande et al. Utilizó la técnica DTI para demostrar que las fibras FST que surgen del complejo SMA terminan tanto en las cápsulas externa e interna [ 18] . Aproximadamente el 10% de las fibras corticales del tracto espinal proceden del SMA propiamente dicho y terminan en la médula espinal, pero estas fibras no surgen del SMA previo 38 ( Figura 4E ).

Figura 1
Figura 1: Lateral ySuperficie Medial de la Vista del Lóbulo Frontal Izquierdo. Las ilustraciones 2D etiquetadas acompañan cada ilustración 3D en el lado izquierdo. Vista lateral del hemisferio izquierdo: SMA propiamente dicha (púrpura) y pre-SMA (verde); El complejo SMA está situado en la parte posterior del giro frontal superior, justo delante del giro precentral ( A ). Vista medial del hemisferio izquierdo. Una línea vertical imaginaria al nivel de la comisura anterior, perpendicular a la línea que se encuentra entre las comisuras anterior y posterior, es la frontera entre el SMA propiamente dicho (púrpura) y el pre-SMA (verde) ( B ) 39 . Después de la vista decortication. La decorticación expone fibras de asociación cortas, llamadas "fibras U". Las fibras U conectan los giros vecinos entre sí, tales como el pre-SMA al SMA propiamente dicho y el SMA propio del córtex motor ( C ). Haga clic aquíPara ver una versión más grande de esta figura.

Figura 1
Figura 2: Disección de fibra lateral a medial. Las ilustraciones 2D etiquetadas acompañan cada ilustración 3D en el lado izquierdo. Vista lateral; El SLF II se extiende entre el giro angular y el giro frontal medio y termina en la pars opercularis y pars triangularis. El SLF III conecta el giro supramarginal y el pars triangularis en el opérculo frontoparietal. Vista mediana; El SLF I conecta el lóbulo parietal superior con la corteza cingulada anterior y la superficie medial del giro frontal superior, que incluye el complejo SMA ( A ). Después de eliminar una parte de SLF II en el nivel coronal, la FAT fue expuesta ( B ). Las fibras de FAT viajan oblicuamente de la región SMA al gyri frontal inferior y se vuelven superficialesEn la pars opercularis. Otras fibras de corona radiata se extienden hasta los ganglios basales sin ser superficiales ( C ). Otra muestra que muestra la frontera expuesta de la distribución de la fibra claustrocortical en el área cortical, que está entre la parte anterior de la pre-SMA y la parte posterior del lóbulo parietal ( D ). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 1
Figura 3 : Estudio DTI de conexiones SMA. Fibras de SLF vistas en una rebanada sagital ( A ) y una rebanada coronal ( B ) en DTI. SLF I (amarillo); SLF II (naranja); SLF III (turquesa). Relación de FAT (verde) y FST (azul) sagital ( C ) y coronal ( D Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 1
Figura 4 : Estudio DTI de conexiones SMA. Fibras callosas observadas en una rebanada coronaria ( A ) y una rebanada sagital ( B ) en DTI. Las fibras cingulares (rojo) ( C ), las fibras claustrocortical (naranja) ( D ), y el tracto corticoespinal (púrpura) ( E ), como se ve en las rodajas sagitales en DTI. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

La importancia y las técnicas de estudio para los caminos de la materia blanca

La corteza cerebral se acepta como una estructura neuronal principal asociada con 2,5 millones de años de vida humana. Aproximadamente 20 mil millones de neuronas se han separado en varias partes basadas en la especificación morfológica y celular 40 . La arquitectura de cada una de estas partes corticales ha sido funcionalmente sub-agrupadas, tales como sentido sensorimotor y movimiento, experiencia emocional y razonamiento complejo. Se determinó que todos los comportamientos en primates se han formado por conexiones anatomo-funcionales únicas y regiones topográficamente distribuidas a través de las áreas corticales y subcorticales del sistema neural. Aunque la corteza cerebral se ha investigado en detalle, todavía hay una falta de conocimiento sobre los caminos de la sustancia blanca del sistema neural que conectan diferentes áreas. Áreas como el centrum semiovale y la corona radiata han sido sTudied antes bajo una vista macroscópica. Durante el 1800s, los investigadores realizaron la disección gruesa de monos que usaban los materiales de la coloración de la mielina y los métodos de la autorradiografía que fueron aplicados con la ayuda de aminoácidos para entender el sistema de la fibra de la materia blanca. Algunas fibras importantes de la asociación, tales como el cingulum y el uncinate fasciculus, se han identificado y nombrado con estos estudios. Por otro lado, la identificación de otras vías de la materia blanca, como el fascículo arqueado / fascículo longitudinal superior y el fascículo longitudinal inferior, sigue siendo contradictoria en la literatura 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

Una comprensión de las estructuras de la materia blanca es muy importante para proporcionar detalles sobre los procesos anatómicos de alto nivel de comportamiento y la estructura y función del cerebro. UNUna comprensión más profunda de los caminos de la sustancia blanca es también crítica para los objetivos clínicos. Muchas enfermedades son causadas por lesiones que afectan a las vías de la sustancia blanca. Anteriormente, no había una técnica única y adecuada que pudiera ser utilizada para describir las vías de fibra, a pesar de las mejoras en las técnicas de imagen radiológica. La técnica de disección de fibra cadavérica, que es la técnica más antigua, fue el método ideal para la educación neuroanatómica de los neurocirujanos jóvenes y el mejor estándar entre las técnicas de tractografía basadas en imágenes de tensor de difusión, tractografía MR, tractografía de espectro de difusión y autorradiografía. Los trazos de fibra se pueden visualizar in vivo con MRI; Sin embargo, la desventaja de esta técnica es la dificultad en determinar la terminación y el origen de las vías de la fibra. La técnica autorradiográfica sólo puede utilizarse en animales de experimentación. Un conocimiento de la anatomía del tracto de fibra es fundamental para obtener una mejor comprensión de cognitivo, psycHiatric, y las manifestaciones del motor después de desórdenes de la materia blanca tales como esclerosis múltiple.

La plasticidad existe en la materia gris, pero no en la materia blanca; Cualquier daño perioperatorio a la sustancia blanca causa déficits irreversibles en el paciente (Schmahmann et al. ). Esto hace que la anatomía de las vías de fibra más valiosa en la neurocirugía [ 46] . Durante la planificación quirúrgica preoperatoria para la eliminación de lesiones intraaxiales, la ubicación y desplazamiento de las vías importantes de fibra, como el fascículo arqueado, las radiaciones ópticas y el tracto corticoespinal deben tenerse en cuenta para una cirugía exitosa. El conocimiento anatómico, junto con la tractografía de RM preoperatoria, proporciona una evaluación sana y una planificación quirúrgica para cada paciente. Mientras tanto, realizar la disección de fibra cadavérica bajo el microscopio de operación ayuda a mejorar las habilidades de la mano del cirujano y proporciona una comprensión más profunda de la compleja brAin anatomía en tres dimensiones. Para lograr estas ganancias, el cirujano debe pasar tiempo en un laboratorio de microcirugía. Él / ella sólo debe centrarse en las vías de fibra durante la disección, en lugar de lo que él / ella le gustaría ver. Por otro lado, hoy en día, las mejoras en las técnicas de imagen de DTI han permitido identificar las principales vías de fibra in vivo , tanto en el cerebro normal como en situaciones clínicas donde el sistema de fibras es afectado. Inicialmente, este método no proporcionó ninguna información sobre las regiones de inicio y terminación de los haces de fibras mayores y sólo fue efectivo en la definición de extensiones. Sin embargo, con el desarrollo de la tractografía por RM y la obtención de imágenes por espectro de difusión (DSI), se han realizado importantes pasos para comprender la anatomía normal del cerebro en estudios in vivo y clínicos 47 , 48 , 49 . En los últimos años, se ha sugerido que la cartografía de las vías de la sustancia blancaEs muy importante para prevenir los déficits postoperatorios. También es útil realizar mapeo eléctrico intraoperatorio de la sustancia blanca para ayudar a proteger las estructuras subcorticales significativas y sus funciones 50 , 51 . Por lo tanto, la anatomía de la región frontal y los caminos de la sustancia blanca deben ser entendidos a fondo para la cirugía de glioma frontal.

Características Anatómicas y la Importancia Clínica del Complejo SMA

La frontera macro-anatómica entre el pre-SMA y el SMA propiamente dicho se acepta como una línea imaginaria vertical que pasa por el nivel de la comisura anterior 18 , 39 . Además, el pre-SMA y el SMA propio tienen diferencias en términos de sus funciones. Aunque la SMA propia tiene tareas somatotópicas, la pre-SMA tiene una organización somatosensorial 19 . Básicamente, la SMA propiamente dicha esE la activación, el control y la generación de movimiento, mientras que el pre-SMA es responsable de las tareas cognitivas y no motoras 8 .

Los pacientes con lesiones de la SMA pre-presente con diversos grados de discapacidad del habla, que van desde una incapacidad total para iniciar el habla ( es decir, el mutismo) a la leve fluidez alterada [ 52] . Como podría predecirse por los datos de estimulación eléctrica neuroquirúrgica, la resección o daño al complejo SMA produce una respuesta motora negativa en las funciones motora y del habla y, finalmente, da como resultado el síndrome SMA. El síndrome de SMA es un complejo síndrome neurocirúrgico de iniciación que va desde una pérdida total de la producción motora y del habla, como el mutismo acinético, hasta los movimientos espontáneos disminuidos y el habla 18 , 53 . Por lo tanto, las conexiones subcorticales del complejo de SMA desempeñan un papel importante en la planificación quirúrgica.

Los Tramos de Fibra del Complejo SMA

En este estudio se estudiaron todas las conexiones del complejo SMA, tales como FAT, FST, fibras de asociación cortas, SLF I, fibras callosas, fibras de cingulum y fibras claustrocortical usando disección de fibra cadavérica y técnicas DTI que fueron definidas en la literatura en Últimos años 8 , 13 , 18 . Hemos demostrado y apoyado nuestros resultados de disección de fibra a través de DTI. Sin embargo, es difícil separar algunas vías de la materia blanca de proyección, como la FST y el tracto corticoespinal (CST) de otros haces de fibra de radiación corona a través de la disección anatómica. Por lo tanto, hemos sido capaces de mostrar la anatomía topográfica de estos dos haces de fibra de manera más eficaz a través de DTI. Además, la capacidad de estudiar in vitro y mostrar haces de fibra profunda en detalle son las otras ventajas del estudio DTI.

El SLF I es una fibra de larga asociación que conecta el precuneus (lóbulo parietal superior) con el complejo SMA y la corteza cingulada. SLF I tiene funciones relacionadas tanto con el sistema límbico, conectando con la corteza cingulada anterior, como con el sistema motor, conectando con el lóbulo parietal superior 13 , 18 , 36 , 54 .

Las partes posteriores del giro frontal superior e inferior se interconectan con un sistema directo que consiste en el FAT, que se definió nuevamente mediante las técnicas DTI 2 y luego con las técnicas de disección de fibras 18 . La proyección de esta vía se encuentra en el pre-SMA y SMA propio en el giro frontal superior y el pars opercularis en el giro frontal inferior [ 18] . Ford et al. Demostró una conectividad estructural entre la SMA y laBroca por primera vez, apoyando el papel funcional de la SMA como una corteza del habla de procesamiento [ 55] . Además del SLF I, el FAT es una vía directa que conecta el pars opercularis con el cingulado anterior y el pre-SMA, como se indica en los resultados de este estudio. Catani et al. Definieron la FAT a través de DTI e informaron que la atrofia cortical de las zonas de conexión FAT en el complejo SMA (pre-SMA y parte anterior del SMA propiamente dicho) y el cingulado anterior en pacientes con afasia progresiva primaria puede dar lugar a trastornos de fluidez verbal 46 . Estudios anteriores han indicado que el FAT también puede estar asociado con dificultades de iniciación del habla y disfunciones de la fluidez del habla [ 22] .

La FST está formada por fibras de proyección que conectan el pre-SMA y striatum ( es decir, núcleo caudado y putamen). En estudios anteriores, los puntos de terminación de la FST en el basal gaNglia no eran muy claras. Sin embargo, también se demostró en recientes estudios DTI completos que el FST se origina en el pre-SMA y termina en la cápsula interna y en la superficie lateral del putamen 20 , 21 , 22 . Además de esto, en otro estudio DTI, se ha demostrado que el FST termina tanto en la lateral y la superficie medial de la putamen [ 18] . Funcionalmente, Duffau et al. Demostró anartria y / o cesación del movimiento durante la estimulación eléctrica intraoperatoria directa del putamen, cuyo mecanismo es más probable a través de las conexiones putaminales del FST 21 .

El tracto corticoespinal conecta el SMA propiamente dicho y la corteza motora primaria con la médula espinal, pero el pre-SMA no tiene fibras del tracto corticoespinal 24 . En un estudio de electroestimulación realizado por Duffao > Et al. , Se observó una detención del movimiento estimulando la región SMA en el miembro superior contralateral. Se pensó que esto puede ocurrir debido a la conexión de la SMA con la médula espinal por el tracto corticoespinal y la SMA contralateral por las fibras callosas 18 , 56 .

Las fibras claustrocorticales conectan entre el claustrum en el núcleo central y una región amplia entre el borde anterior del pre-SMA y la parte posterior del lóbulo parietal [ 13] . Funcionalmente, se cree que las fibras claustrocortical desempeñan un papel en la conciencia y en la coordinación de la información procedente de la región cortical visual, el sistema límbico y las cortezas somatosensoriales y motoras 27 . Por lo tanto, los haces de fibra claustrocortical entre el complejo SMA y el claustrum se cree que puede desempeñar un papel en la ejecución de mayor motor y el habla contro> 18.

Aunque se ha indicado en estudios previos que la conexión del complejo SMA con el giro cingular es a través de fibras de asociación cortas, en un estudio anatómico reciente, se encontró que estas conexiones son proporcionadas directamente por las fibras cingulares [ 18] . Funcionalmente, se afirmó que esta vía tiene un papel en el procesamiento motor de la estimulación emocional negativa entre la SMA y la corteza límbica [ 18] .

En los últimos años, la importancia clínica del complejo SMA ( por ejemplo, síndrome de SMA y respuesta motora negativa) se reveló por un número creciente de estudios de electroestimulación. Por lo tanto, la importancia de la anatomía topográfica y subcortical conexiones de la AMS fueron destacados gradualmente. Es fundamental obtener una mejor comprensión de la anatomía topográfica, particularmente a través de estudios anatómicos en 3D, y utilizar las características clínicas de estas conexiones para planificar la cirugía.

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Disclosures

Los autores declaran que no hay intereses financieros en competencia y no hay fuentes de financiamiento y apoyo, incluyendo cualquiera para equipos y medicamentos.

Acknowledgments

Los datos fueron proporcionados en parte por el Proyecto Connectome Humano, WU-Minn Consortium (Investigadores Principales: David Van Essen y Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), financiado por los 16 Institutos NIH y Centros que apoyan el NIH Blueprint for Neuroscience Research; Y por el McDonnell Center for Systems Neuroscience en la Universidad de Washington. Las Figuras 2A y 2D fueron reproducidas con permiso de la colección 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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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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