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方法論記事

再考された補助的なモータ領域のファイバ接続：ファイバ解剖、DTI、および3次元文書の方法論

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DOI:

10.3791/55681

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2017年5月23日

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
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

この記事について

サマリー

この研究の目的は、人間の死体の脳に対する繊維解剖技術の各段階、これらの解剖の3D文書、および解剖学的に解剖された繊維経路の拡散テンソル画像を示すことである。

要約

本研究の目的は、死体標本に対する磁気共鳴画像法（MRC）と磁気共鳴画像法（MR）の組み合わせを用いて、補助運動領域（SMA）複合体（プレSMAおよびSMA固有）の白質結合の検査のための方法論を示すことである。 ）牽引。このプロトコールでは、ヒトの脳の白質解剖、拡散テンソルトラクトグラフィーイメージング、および三次元のドキュメンテーションの手順も説明します。人間の脳のファイバー解剖および3Dドキュメンテーションは、ミネソタ大学、脳神経外科および脳神経外科研究室で行われました。 5人の死後のヒト脳標本および2頭の全頭をKlinglerの方法に従って調製した。脳半球を手術用顕微鏡下で側方から内側および内側から外側に段階的に解剖し、各段階で3D画像を捕捉した。すべての解剖結果は拡散テンソルイメージング。会合繊維（短い、上縦靱帯Iおよび前側斜面枝）、投射繊維（皮質脊髄、大腿骨、前線条体）および交連繊維（口腔繊維）を含む、Meynertの線維分類と一致する接続に関する調査は、また行った。

概要

ブロンドマンによって描写された14の正面領域のうち、前頭前野運動野の前に位置する前頭前庭および前頭前庭領域は、前頭葉が認知、行動、学習などにおいて重要な役割を果たすにもかかわらず、音声処理が含まれます。運動前/前側モジュールは、内側に延びる前SMAおよびSMAの適切な部分（Brodmann Area; BA 6）からなる補足運動領域（SMA）複合体に加えて、背側前頭葉（BA 46,8、脳の外側表面上の眼窩前核（BA 11）の一部と同様に、前頭葉（BA 10）および前側前頭前（BA 47）の皮質を含む。

SMA複合体は、その機能およびその結合によって定義される重要な解剖学的領域である。この領域の切除および損傷は、SMAとして知られている重大な臨床的障害を引き起こす症候群。 SMA症候群は、SMA複合体3を含む前頭神経膠症症例において特に観察される重要な臨床状態である。 SMA複合体は、辺縁系、基底核、小脳、視床、対側SMA、上頭頂葉、および繊維路を介した前頭葉の部分との接続を有する。これらの白質結合への損傷の臨床効果は、皮質よりも重症である可能性がある。これは、皮質の傷害の結果が、皮質の塑性が高いので、経時的に改善され得るからである（4,5,6,7,8,9,10,11,12 、...） 。したがって、SMAの地域的解剖学および白質経路はディープルでなければならない特に神経膠腫手術のために理解されている。

白質経路の解剖学的構造の包括的な理解は、神経外科的病変の広いスペクトル治療にとって重要である。顕微手術で得られた解剖学的結果の3次元文書化に関する最近の研究は、地形の解剖学的構造および脳白質経路の相互関係をよりよく理解するために用いられた13,14。したがって、本研究の目的は、死体標本および磁気共鳴画像法（MRI）による線維切開法を組み合わせたSMA複合体（SMA前およびSMA前庭）の白質結合を調べ、すべての方法を説明することであった技術とそれらの詳細な文書の両方の原則。

研究の計画と戦略

実験を行う前に、解剖の前と最中に標本に適用する必要がある手順、および解剖およびDTIで明らかにされたSMA領域間のすべての接続を実施した。以前のSMAおよびSMA適合領域の解剖学的定位および分離に関する研究ならびにそれらの接続の地形学的解剖学的構造について検討した。

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プロトコル

故人は技術的に人間の被験者ではありませんが、死人はここでは人口として含まれています。ヒトの被験者は45C446によって「生きている人間15,16 」と定義されている。

1.標本の作成

  1. ホルマリン固定した5頭の脳（10個の半球）と2頭の人間の頭部を調べます。
  2. Klinglerの方法17に従って、少なくとも2ヶ月間10％ホルマリン溶液中に試料を固定する。
  3. Klingerの方法17に従って-16℃で2週間凍結する。
  4. 水道水で標本を解凍する。
  5. 脳を露出させるために、死体頭部に拡張前頭側頭頭蓋切開術を行う。
    1. 死体頭部を3ピンの頭蓋骨クランプ（ 材料テーブル ）に置きます。
    2. メスを使って前頭側頭皮膚切開を行う。
    3. メス、ピンセット、はさみを使用して皮膚と筋肉を除去します。
    4. 硬膜に達するまで、頭蓋骨に1つ以上の穴をあけます。コンパクトな減速機と79,000 rpmで14 mmの頭蓋穿孔器アタッチメント（ 材料表 ）を備えたドリルを使用してください。
    5. 骨のフラップを切って、2 mm x 15.6 mmの縦溝流路付きルータを使用し、2.1 mmのピン形状のバリを取り付け、ドリルスピードを80,000 rpm（ 材料表 ）にします。
  6. 硬膜、くも膜下腔、および皮質を除去し、顕微鏡下で6〜40倍の倍率でマイクロダイセクターを使用して解剖する。5,18（ 材料表 ）。

2.繊維解体技術

注：手術顕微鏡で6倍から40倍の倍率ですべての切開を行います。

  1. 各半球に段階的に繊維切開を行う内側から外側に、内側から外側に向かって順に並んでいる。
    1. 扇場ディセクター（ 材料表 ）を使用して大脳皮質を摘出し、すべての前頭皮質組織を除去して、隣接する線条体を相互接続するU-線維または肋間線維である短い会合線維腔を露出させる。
    2. 同じ半球の遠隔領域を相互接続する長い会合繊維に到達してそれを露出させるために、顕微鏡（ 材料表 ）下で穏やかにトリミングすることにより、短い会合繊維をpanfield解剖器具および外科用マイクロフックで除去する。
    3. 外科用マイクロフックとパンフィールドディセクタを使用して、表面結合繊維を除去するために、長い結合繊維に深く入ります。顕微鏡下で各繊維束を取り除き（ 材料表 ）、投影交連繊維を露出させる。
    4. SMAコンプレックスの各接続を表示する文献2,8,18,19,20,21で以前に定義された地形学的解剖学によれば、
  2. 解剖の間に使用されたすべての標本（全頭部および脳）を、解剖期間の間に10％ホルムアルデヒド溶液（ 材料表 ）に入れておく。

3. 3D写真技術

  1. 標本の撮影中は黒色のプラットフォームを使用してください。
  2. 3D写真技術に従ってください22 。
    1. 各標本を設計された黒色のプラットフォームに置きます。
    2. 標本を正面から見た場面を選択し、カメラ画面上の中心点に近い標本上の任意の点にカメラを合わせてワンショットを撮る（計測器タブル）。 18〜55 mm f / 3.5-5.6 SLRレンズまたは100 mm f / 2.8 Lマクロレンズを使用し、絞りをF29、ISO 100に設定します。
    3. カメラ画面の一番右の点が上記の合焦点と同じになるまで、カメラを少し左に回します。画面上の中点が標本の元の合焦点と重なるまで、カメラを右にスライドさせます。カメラをこの点に集中させて、もう一度撮影してください。
    4. カメラの距離と軸を一定値で撮影した標本に維持する。
  3. 3D画像生成プログラム（Material Table）を使用して3D画像を作成します。
    1. 3Dソフトウェアプログラムを開きます。
    2. 「ファイルからステレオ画像を開く」を選択します。
    3. 2つのイメージ（左右）を選択し、左のイメージが左のスロットにあり、右のイメージが右のスロットにあることを確認します。
    4. 「Half color anaglyph RL / 2」オプションを選択し、アナグリフをjpeg形式で生成します。

4. DTIテクニック

  1. 参照されたウェブサイトからヒューマンコネクトプロジェクト拡散データ23をダウンロードして、前処理された拡散データを取得する。
    注：データは前処理されてダウンロードされ、以下の手順で構成されています。拡散データは、マルチボルテージシステムを使用したスピンエコーエコープラナーイメージング（EPI）シーケンスを使用する修正3T MRIデバイス（機器テーブル）バンド画像加速24,25,26,27,28を含む。関連する配列パラメーターには以下が含まれる：TR = 5,520ms; TE = 89.5ms; FOV = 210×180mm;マトリックス= 168×144;スライス厚さ= 1.25mm（ボクセルサイズ1.25×1.25×1.25mm）。マルチバンド係数= 3; b値= 1000s / mm 2 （95方向）、2,000s / mm 2 （96方向）、および3000s / mm 22 （97方向）。その後、データはFreeSurfer 29とFSL 30を使用して処理されました 。プロセスは、渦電流補正、動き補正、b0強度正規化、磁化率歪み補正、および勾配非線形性補正28,31,32,33を含んでいた。対応するT1加重MP-RAGEイメージもダウンロードパッケージに含まれています。手順は、Human Connectome Projectの手引書23に文書化されています。
  2. 一般化qサンプリング・イメージング（GQI）アルゴリズム35を使用して推定ボクセル拡散拡散分布関数（ODF）を生成するために、拡散スペクトル画像化（DSI）スタジオ34を使用して拡散データを後処理する。
    1. ダウンロードしたデータセットをselでソフトウェアにロードする「STEP1：オープンソースイメージ」を開き、data.nii.gzファイルを選択します。
    2. "STEP2：Reconstruction"ボタンを選択します。脳マスクを確認した後、「ステップ2」に進み、再構成方法として「GQI」を選択します。 「長さ比」が「1.0」の「r ^ 2重み付け」を選択します。残りの選択はデフォルトのままにしておきます。
    3. 「再構築を実行」を選択します。
  3. 関心領域の適切なシードを配置して、ファイバートラッキングを合理化します。
    1. "Region Window"で、 "Atlas"ボタンをクリックして、上縦骨束（SLF）のシードを配置します。I. "Brodmann"を選択し、 "Region 6"と "Region 7"を追加します。リージョンウィンドウで、「Region 6」タイプを「seed」に、「Region 7」タイプを「region-of-inclusions」（ROI）に設定します。
      1. 領域ウィンドウで[新しい領域]を選択し、手動でROIを描画します冠状面における上前頭回の最後面に存在する。手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    2. 領域ウィンドウの「新しい領域」を使用し、冠状面内の中前頭回白質の後面に「種」領域を描くことによって、同様の方法でSLF IIの種を配置する。 「Atlas」（手順4.3.1のように）とBrodmann領域9,10,46,39、および19を使用してROIを選択します。手順4.4で説明したようにファイバートラッキングを実行します。
    3. リージョンウィンドウで "Atlas"（手順4.3.1のように）を使用し、Brodmannアトラスの "Region 40"と "Region 40"の "Atlas ..."からのROIを使用して、SLF IIIのシードを「シード」リージョンと置きます"および" Region 44 "手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    4. 領域ウィンドウで「新しい領域」を使用し、thを含む矢状面に「種」を描くことにより、鼻腔繊維の種を配置する電子コーパス。手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    5. 領域ウインドウに「New Region」を使用して、帯状線維のシードを配置し、コロナルビューの中で帯状回の中間に「種」領域を描きます。 「新しい領域」を使用して、2つのROIを描きます.1つは、より前部の帯状疱疹に、もう1つは、冠状視野の下で後部帯状回に現れます。手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    6. 地域ウィンドウで「新しい地域」を使用し、アトラス...機能を使用してコロナ・ラジャータ内のROIを使用してクロー石の中に「種」を描くことで、大嚢胞性線維の種を配置します。アトラスを「JHU-WhiteMatter-labels-1mm」として選択します。
      1. "Anterior_corona_radiata"、 "Posterior_corona_radiata"、 "Superior_corona_radiata"を選択して追加します。 「新しい領域」を使用して軸平面内のクローストームのレベルよりも劣る平面を通過するすべてのファイバーの回避領域を描きます領域ウィンドウで、ステップ4.4で説明したようにファイバートラッキングを実行します。
    7. 領域ウインドウの "Atlas ..."機能からの "seed"を使用して、皮質脊髄路の種を配置する。 「JHU-WhiteMatter-labels-1mm」を選択し、「Corticospinal_tract」領域を追加します。手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    8. 領域ウインドウの "Atlas ..."機能の "seed"領域を使用し、 "Region 44"と "Region 45"でBrodmannアトラスと "Region 6" ROIを選択して、正面斜面路（FAT）のシードを配置します。 "手順4.4で説明したようにファイバトラッキングを実行します。
    9. "Atlas ..."機能を使用して、 "地域6"に "シード"を持つ前線条体（FST）の種を配置します。 "HarvardOxfordSub"アトラスから "caudate"、 "putamen"、 "globus pallidus"に新しいリージョンを挿入し、リージョンウィンドウのタイプを "end"に設定します。"
      注：FSTのためのファイバートラッキングは、追跡セッション（ すなわち、領域6および尾状体、続いて領域6および被殻、最後に領域6および顆粒球）に対して、領域6の種子および皮質種子のうちの1つのみを選択することによって行われるパリダス）。
      1. 各組み合わせについて、ステップ4.4で説明したようにファイバートラッキングを実行します。
  4. 上記の各組み合わせに対してファイバートラッキングを実行します。
    1. [オプション]ウィンドウで、qaの終了インデックス0.08、角度のしきい値75、ステップサイズ0.675、平滑0.2、最小長20 mm、最大長200 mmのトラッキングパラメータを設定します。シードの向きを「すべて」、シードの位置を「サブボクセル」、シードを「オン」にランダム化します。流線（オイラー）トラッキングアルゴリズムを使用して三線式の方向補間を使用します。上記の領域の組み合わせごとに、＆＃34; Fiber Tracts」ウィンドウ。
      注：追跡のランダム化された性質のため、明確な「偽の繊維」が識別され、選択的に除去され、回避領域が手で「新しい領域」として描かれます。
  5. Affineは、DSI-Studioの "Slices - > Insert T1 / T2 Images"機能を使用して、Human Connectome Projectデータセットで提供された脳抽出T1加重3D MP-RAGEスキャンを拡散データに登録します。 「スライス - >アイソサーフェスを追加」を選択して、脳のサーフェスレンダリングを生成します。 665の「閾値」を使用する。

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結果

SMA複合体は上前頭回の後部に位置する。 SMA複合体の境界は、前中心側溝、後頭側十二指腸、十二指腸十二指腸、十二指腸十二指腸下十字弓である。 SMA複合体は2つの部分から構成されています：前SMA前部および後部SMA適切18 。これらの2つの部分18 （ 図1AおよびB ）の間の白質の接続および機能に関して相違がある。我々は、繊維解剖およびDTI技術を用いてこれら2つの部分の皮質および皮質下の連結を研究し、それらを3D画像で示した。

SMAコンプレックスの関連繊維

前頭葉の皮質を除去することにより、短い会合繊維、t彼は、隣接するグリル18...

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ディスカッション

ホワイトマター・パスウェイの重要性と研究手法

大脳皮質は250万年の人間生活に関連する主要な神経構造として受け入れられている。およそ200億個のニューロンが、形態学的および細胞仕様40に基づいて様々な部分に分かれている 。これらの皮質部分のそれぞれのアーキテクチャは、感覚運動の感覚や動き、感情的な経験、複雑な推論など、機能的にサブグループ化されています。霊長類のすべての行動は、神経系の皮質および皮質下の領域を通って地形学的に分布したユニークな生体機能的接続および領域によって形成されていることが判明した。大脳皮質は詳細に研究されているが、異なる領域をつなぐ神経系の白質経路に関する知識がまだ不足している。セントラムセミオベルやコロナラジャータなどの領域は、以前は巨視的な視野の下で吟味されていた。 1800年代、研究者はミエリン色素とオートラジオグラフィー法を用いてサルの肉眼的解剖を行い、アミノ酸の助けを借りて白質線維系を理解した。いくつかの主要な会合繊維（例えば、CingulumおよびUncinat...

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開示事項

著者らは競合する金銭的利益はなく、資金調達や支援の源泉はないと宣言している。

謝辞

データは、ヒューマンコネクトプロジェクト、WU-Minnコンソーシアム（主任研究者：David Van EssenおよびKamil Ugurbil; 1U54MH091657）によって提供され、NIH青写真脳科学研究を支援する16のNIH研究所およびセンターが資金を提供した。ワシントン大学でシステム・ニューロサイエンスのためのマクドネル・センター（McDonnell Center for Systems Neuroscience）図2Aおよび2Dは、Rhotonコレクション57 （http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899）の許可を得て再現された。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
%4 パラホルムアルデヒド溶液アフィメトリックス(株)2046C208固定に使用
冷凍庫INSIGNANS-CZ70WH6
パンフィールド ディセクタAESCULAPFD305剖に使用
外科用マイクロシザーW. Lorenz04-4238解剖に使用
用マイクロフックV. ミューラーNL3785-009解に使用
マイクロ血管ストレッチャー/DILATORW. Lorenz04-4324剖に使用
Emax2 SC 2000 電動コンソールAnspach CompaniesSC2102頭蓋骨切除に使用
ドリルセットAnspach CompaniesNS-CZ70WH6頭蓋骨切除に使用
20-1000 手術顕微鏡Moeller-Wedel,GermanyFS 4-20
Canon EOS 550D 18 MP CMOS APS-C デジタル一眼レフカメラキヤノン株式会社EF
100 mm F2.8L IS USM マクロレンズキヤノン製撮影に使用した4657A006
ヤノン写真を撮るために使用される9389B002
三脚リノ マンフロット322RC2写真を撮るために使用される
MAYFIELD Infinity Skull ClampIntegra Inc.A0077、ヘッド
Skrya 3T「Connectome」スキャナーSiemensCompany、Inc.A911IM-MR-15773-P1-4A00DTI
XstereO Playerユーリー・ゴルビンスキーアナグリフの作成に使用
EF-S 18-55mm f / 3.5-5.6 IS II SLR レンズキヤノン株式会社2042B002写真を撮るために使用
メス6B INVENT7-104-L切開を行うために使用
コンパクト減速機Anspach CompaniesCSR60バリ穴を作るために使用
14 mm 頭蓋穿孔器Anspach CompaniesCPERF-14-11-3Fバリ穴を作るために使用
2 mm x 15.6 mm 溝付きルーターAnspach CompaniesA-CRN-M頭術を行うために使用
開頭術を行うために使用される2.1mmピン型バリAnspach Companies03.000.130S
を凍結するために使用 解 誤外科 誤 誤DS126271MR-14EX II マクロリングライト (フラッシュ)の キはを修正を固定するために使用されます。のスキャンに使用 開

参考文献

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