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Article de méthode

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

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DOI :

10.3791/55681

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23 mai 2017

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

Dans cet article

Résumé

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

Résumé

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

Introduction

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

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

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

Planification et stratégie d'étude

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

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Protocole

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

1. Préparation des spécimens

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

2. Technique de dissémination des fibres

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

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

3. Technique de photographie 3D

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

4. Technique DTI

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

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Résultats

Le complexe SMA est situé dans la partie postérieure du gyrus frontal supérieur. Les bordures du complexe SMA sont le sillon précentral postérieurement, le sulcus frontal supérieur inférieur-latéralement et le sillon cingulé inférieur-médian 18 . Le complexe SMA se compose de deux parties: la pré-SMA antérieurement et la SMA postérieurement 18 . Il existe des différences en termes de connexions de la matière blanche et de fonction entre ces...

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Discussion

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

Le cortex cérébral est accepté comme une structure neuronale principale associée à 2,5 millions d'années de vie humaine. Environ 20 milliards de neurones se sont séparés en différentes parties en fonction de la spécification morphologique et cellulaire 40 . L'architecture de chacune de ces parties corticales a été fonctionnellement sous-groupée, comme le sens sensoriel et le mouve...

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Déclarations de divulgation

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

Remerciements

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

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
%4 Solution de paraformaldéhydeAFFYMETRIX, Inc.2046C208utilisé pour la fixation
CongélateurINSIGNANS-CZ70WH6utilisé pour congeler
Panfield DissectorAESCULAPFD305utilisé pour la dissection
Micro ciseaux chirurgicalW. Lorenz04-4238utilisé pour faire la méscrodissection
Micro crochet chirurgicalV. MuellerNL3785-009utilisé pour la dissection
MICRO VESSEL STRETCHER/ DILATATEURW. Lorenz04-4324utilisé pour la désinstallation
Emax2 SC 2000 Console électriqueAnspach CompaniesSC2102utilisé pour la craniatomie
Drill SetAnspach CompaniesNS-CZ70WH6utilisé pour la craniatomie
20-1000 microscope opératoireMoeller-Wedel, AllemagneFS 4-20utilisé pour la désescalade
Canon EOS 550D 18 MP CMOS APS-C Reflex numérique Appareil photoCanon Inc.DS126271utilisé pour prendre des photos
EF 100 mm f/2.8L IS USM Objectif macroCanon Inc.4657A006utilisé pour prendre des photos
MR-14EX II Macro Ring Lite (Flash)Canon Inc.9389B002utilisé pour prendre des photos
TrépiedLino Manfrotto322RC2utilisé pour prendre des photos
MAYFIELD Infinity Skull ClampIntegra Inc.A0077utilisé pour fixer la tête
Scanner Skrya 3T « Connectome » modifié SiemensCompany, Inc.A911IM-MR-15773-P1-4A00utilisé pour numériser DTI
XstereO PlayerYury GolubinskyVersion 3.6(22)utilisé pour créer des anaglyphes
EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS II SLR LENSCanon Inc.2042B002utilisé pour prendre des photos
Scalpel6B INVENT7-104-Lutilisé pour faire une incision
Réducteur de vitesse compactAnspach CompaniesCSR60utilisé pour faire un trou de bavure
14 mm Perforateur crânienAnspach CompaniesCPERF-14-11-3Futilisé pour faire un trou de bavure
2 mm x 15,6 mm Défonceuse canneléeAnspach CompaniesA-CRN-Mutilisée pour faire de la craniotomie
Fraises en forme d’épingle de 2,1 mmAnspach Companies03.000.130Sutilisées pour la craniotomie

Références

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