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Articolo metodologico

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

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DOI:

10.3791/55681

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23 maggio 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

In questo articolo

Sommario

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

Abstract

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

Introduzione

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

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

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

Pianificazione e strategia di studio

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

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Protocollo

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

1. Preparazione dei campioni

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

2. Tecnica di dissezione della fibra

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

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

3. Tecnica di fotografia 3D

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

4. Tecnica DTI

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

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Risultati

Il complesso SMA si trova nella parte posteriore del superiore gyrus frontale. I confini del complesso SMA sono il sulcus precentrale posteriormente, il sulcus frontale superiore inferiormente lateralmente e il sulcus cingulare inferiormente-medialmente 18 . Il complesso SMA è costituito da due parti: la pre-SMA anteriormente e la SMA correttamente posteriormente 18 . Ci sono differenze in termini di connessioni di materia bianca e funzione...

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Discussione

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

La corteccia cerebrale è accettata come una struttura neurale principale associata a 2,5 milioni di anni di vita umana. Circa 20 miliardi di neuroni sono stati separati in varie parti in base a specifiche morfologiche e cellulari 40 . L'architettura di ciascuna di queste parti corticali è stata sotto-raggruppata funzionalmente, come senso sensoriale e movimento, esperienza emotiva e ragionam...

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Dichiarazioni

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

Ringraziamenti

I dati sono stati forniti in parte dal progetto Human Connectome, WU-Minn Consortium (Principal Investigators: David Van Essen e Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), finanziato dai 16 istituti e centri NIH che sostengono il progetto di NIH per la ricerca di neuroscienze; E dal McDonnell Center for Systems Neuroscience presso l'Università di Washington. Le figure 2A e 2D sono state riprodotte con l'autorizzazione della collezione Rhoton 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
%4 Soluzione di paraformaldeideAFFYMETRIX, Inc.2046C208utilizzato per il fissaggio
CongelatoreINSIGNANS-CZ70WH6utilizzato per congelare
Panfield DissectorAESCULAPFD305utilizzato per la dissezione
Micro Forbice chirurgicaW. Lorenz04-4238utilizzato per la dissezione errata
Micro Gancio chirurgicoV. MuellerNL3785-009utilizzato per la dissezione
errata MICRO VESSEL STRETCHER/ DILATATOREW. Lorenz04-4324utilizzato per la miscrodissezione
Emax2 SC 2000 Electric ConsoleAnspach CompaniesSC2102utilizzato per craniatomia
Drill SetAnspach CompaniesNS-CZ70WH6utilizzato per la craniatomia
20-1000 microscopio operatorioMoeller-Wedel, GermaniaFS 4-20utilizzato per la miscrodissezione
Canon EOS 550D 18 MP CMOS APS-C REFLEX DIGITALE Macchina fotograficaCanon Inc.DS126271utilizzato per scattare foto
EF 100 mm f/2.8L IS USM Macro LensCanon Inc.4657A006utilizzato per scattare foto
MR-14EX II Macro Ring Lite (Flash)Canon Inc.9389B002utilizzato per scattare foto
Treppiede LinoManfrotto322RC2utilizzato per scattare foto
MAYFIELD Infinity Skull ClampIntegra Inc.A0077utilizzato per riparare la testa
Scanner Skrya 3T "Connectome" modificato SiemensCompany, Inc.A911IM-MR-15773-P1-4A00utilizzato per la scansione DTI
XstereO PlayerYury GolubinskyVersione 3.6(22)utilizzato per creare anaglifi
EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS II SLR LENSCanon Inc.2042B002usato per scattare foto
Bisturi6B INVENT7-104-Lusato per fare l'incisione
Riduttore di velocità compattoAnspach AziendeCSR60usato per fare il foro della bava
14 mm Perforatore cranicoAnspach AziendeCPERF-14-11-3Fusato per fare il foro della bava
2 mm x 15,6 mm Router scanalatoAnspach AziendeA-CRN-Musato per fare la craniotomia
2,1 mm Frese a forma di spilloAnspach Companies03.000.130Sutilizzato per eseguire la craniotomia

Riferimenti

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