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방법 논문

재조합 모터 영역의 광섬유 연결 : 광섬유 해부, DTI 및 3 차원 문서화 방법론

11.2K 조회수

DOI:

10.3791/55681

2017년 5월 23일

이 논문에서

요약

이 연구의 목적은 인간의 사체 두뇌에 대한 섬유 해부 기술의 각 단계, 해부학의 3D 문서화 및 해부학 적으로 해부 된 섬유 경로의 확산 텐서 이미징을 보여주는 것입니다.

초록

이 연구의 목적은 사체 표본에 대한 섬유 해부 기술과 자기 공명 (MR)의 조합을 사용하여 보조 운동 영역 (SMA) 복합체 (pre-SMA 및 SMA 적절한)의 백색질 연결 검사를위한 방법론을 보여주는 것이다. ) tractography. 이 프로토콜은 또한 인간 두뇌의 백색 물질 해부, 확산 텐서 (ductal) 텐서 트 레토 그래피 이미징 및 3 차원 문서화를위한 절차를 설명합니다. 인간의 두뇌에 대한 섬유 해부 및 3D 문서화는 미네소타 대학, 신경 외과학 및 신경 외과학 실험실에서 수행되었습니다. 5 개의 사후 인간 뇌 견본과 2 개의 전체 머리가 Klingler의 방법에 따라 준비되었다. 뇌 반구를 수술 현미경으로 측면에서 내측으로 그리고 내측에서 외측으로 단계적으로 해부하고 모든 단계에서 3D 영상을 촬영했습니다. 모든 해부 결과는 확산 텐서이미징. 연고 섬유 (짧은, 우수한 종단 연골과 전두엽), 투상 섬유 (대뇌 피질 연골, 종양, 전두 측두엽) 및 위 정맥 섬유 (말단 섬유)를 포함한 Meynert의 섬유로 분류에 따른 조사는 또한 실시했다.

서론

Brodmann이 묘사 한 14 개의 전두엽 중 전두엽 운동 피질 앞에있는 시동 전엽과 전두엽 영역은 전두엽이인지, 행동, 학습, 운동 등에 중요한 역할을한다는 사실에도 불구하고 오랫동안 조용한 모듈로 간주되어 왔습니다. 및 음성 처리. pre-motor / frontal module은 내측으로 확장되는 pre-SMA와 SMA proper (Brodmann Area, BA 6)으로 구성된 보조 모터 영역 (SMA) 복합체 이외에도 AD 6, 8, 뇌의 외측 표면에있는 안와 전두엽 피질 (BA 11)의 일부뿐만 아니라 전두엽 (BA 10)과 전 측두엽 (BA 47) 피질을 포함한다.

SMA 복합체는 기능 및 연결에 의해 정의되는 중요한 해부학 적 영역입니다. 이 부위의 절제와 손상은 SMA로 알려진 심각한 임상 적 결손을 일으 킵니다.증후군. SMA 증후군은 SMA 복합체 3 이 포함 된 전두 신경 교종에서 특히 관찰되는 중요한 임상 적 증상입니다. SMA 복합체는 대뇌 변연계, 기저핵, 소뇌, 시상, 대 측성 SMA, 상엽 (superior parietal lobe) 및 섬유로를 통해 전두엽과 연결되어 있습니다. 이러한 백색질 연결에 대한 손상의 임상 적 효과는 피질보다 더 심할 수 있습니다. 이는 대뇌 피질 손상의 결과가 높은 피질 소성 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 로 인해 시간이 지남에 따라 개선 될 수 있기 때문입니다. 따라서 SMA 지역 해부학 및 백질 물질 경로가 중요하다.특히 신경아 교종 수술에 대한 이해.

백색질 경로의 해부학에 대한 포괄적 인 이해는 신경 외과 적 병변의 광범위한 스펙트럼 치료에 중요합니다. 미세 수술에서 얻어진 해부학 적 결과에 대한 3 차원 문서의 최근 연구를 통해 지형 학적 해부학 및 뇌의 백질 경로 13 , 14 의 상호 관계를보다 잘 이해할 수있었습니다. 따라서 본 연구의 목적은 사체 표본과 자기 공명 영상 (MRI) 기관 절제술에 대한 섬유 절제술의 조합을 사용하여 SMA 복합체 (pre-SMA 및 SMA 적절한)의 백색질 연결을 조사하고 모든 방법을 설명하는 것이었다 기술과 그 상세한 문서화의 원칙을 설명합니다.

연구 계획 및 전략

실험을 수행하기 전에,섬유 해부의 기본 원리, 해부학 전후에 시편에 적용해야 할 절차, 해부 및 DTI로 밝혀진 SMA 부위 간의 모든 연결이 수행되었습니다. 이전의 SMA 및 SMA- 적절한 부위의 해부학 적 국소화 및 분리에 대한 이전의 연구 및 이들의 연결부의 지형 학적 해부학에 대한 검토가 이루어졌다.

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프로토콜

고인은 기술적으로 인간 대상이 아니지만 사망자는 인구로 여기에 포함됩니다. 인간 피험자는 45 CF 46에 의해 "살아있는 인간 15 , 16 "으로 정의됩니다.

1. 시편 준비

  1. 포르말린 고정 된 5 개의 뇌 (10 개의 반구)와 2 개의 전체 인간의 머리를 검사하십시오.
  2. Klingler의 방법 17에 따라 시험편을 적어도 2 개월 동안 10 % 포르말린 용액에 고정시킨다.
  3. Klinger의 방법 17 에 따라 모든 시험편을 -16 ℃에서 2 주 동안 동결시킨다.
  4. 수돗물에서 시험편을 해동합니다.
  5. 사체의 머리에 확장 된 전두 측두 두 절개술을 시행하여 뇌를 노출시킵니다.
    1. 시체 머리를 3 핀 두개골 클램프 ( 재료 표 )에 놓습니다.
    2. 메스로 전두 측두 절개 부위를 절개하십시오.
    3. 메스, 집게 및 가위를 사용하여 피부와 근육을 제거하십시오.
    4. 경질 막에 도달 할 때까지 두개골에 하나 이상의 구멍을 뚫습니다. 소형 감속기가 장착 된 드릴과 79,000 rpm으로 14 mm cranial perforator 어태치먼트 ( 재료 표 )를 사용하십시오.
    5. 뼈 플랩을 자르고 2.1 mm 핀 모양의 버 (burr) 어태치먼트가있는 2 mm x 15.6 mm 플루트 형 라우터를 사용하여 80,000 rpm의 속도로 드릴하십시오 ( 재료 표 ).
  6. 경질, arachnoid 및 피아 mater을 제거하고 6X 40X 배율 5 , 18 ( 재료 표 )에서 현미경으로 microdissector를 사용하여 해부.

2. 섬유 해부 기술

참고 : 수술 용 현미경으로 6 배에서 40 배까지 모든 절개를하십시오.

  1. 각 hemisphe에 단계적 방식으로 섬유 해부를 수행다시 측면에서 내측으로 그리고 내측에서 외측으로.
    1. 팬 필드 해부 ( 재료 테이블 )를 사용하여 대뇌 피질을 소독하고 모든 정면 피질 조직을 제거하여 인접한 자이 (gyri) 5 , 13 을 상호 연결하는 U- 섬유 또는 intergyral 섬유 인 짧은 연관 섬유 영역을 노출시킵니다.
    2. 현미경 ( 재료 테이블 ) 아래 부드럽게 트리밍하여 panfield 해부 및 외과 마이크로 후크로 짧은 연결 섬유를 제거하고 동일한 반구의 먼 지역을 상호 연결하는 긴 연결 섬유를 노출 시키십시오.
    3. 외과 마이크로 후크와 팬 필드 해부 (panfield dissector)를 사용하여 표면 결합 섬유를 제거하기 위해 긴 결합 섬유 안으로 깊숙이 들어가십시오. 현미경 ( 재료 테이블 )에서 각 섬유 번들을 제거하여 투영 교차 섬유를 노출시킵니다.
    4. SMA 컴플렉스의 각 연결보기문헌 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 에서 이전에 정의 된 지형 학적 해부학에 따라.
  2. 해부 기간 동안 10 % 포름 알데히드 용액 ( 재료 표 )에서 해부 중에 사용 된 모든 표본 (머리 전체와 두뇌)을 유지하십시오.

3. 3D 사진 기법

  1. 표본 사진 촬영 중에는 검정색 플랫폼을 사용하십시오.
  2. 3D 사진 기술 22을 따르십시오.
    1. 각 표본을 설계된 검정색 플랫폼에 놓습니다.
    2. 표본을 전면에서 볼 수있는 장면을 선택하고 카메라 화면의 중심점에 가까운 표본의 모든 지점에 카메라를 초점을 맞추어 한 번 촬영하십시오 (악기 탭르). 18 ~ 55mm f / 3.5-5.6 SLR 렌즈 또는 100mm f / 2.8L 매크로 렌즈를 사용하고 조리개를 F29, ISO 100로 설정하십시오.
    3. 카메라 화면의 가장 오른쪽 지점이 위의 초점 지점과 같을 때까지 카메라를 약간 왼쪽으로 돌립니다. 화면의 가운데 점이 표본의 원래 초점 점과 겹칠 때까지 카메라를 오른쪽으로 밉니다. 이 시점에서 카메라 초점을 맞추고 다른 장면을 촬영하십시오.
    4. 카메라의 거리와 축을 일정한 값으로 촬영되는 표본에 유지하십시오.
  3. 3D 이미지 생성 프로그램 (Material Table)을 사용하여 3D 이미지를 만듭니다.
    1. 3D 소프트웨어 프로그램을 엽니 다.
    2. "파일에서 스테레오 이미지 열기"를 선택하십시오.
    3. 두 이미지 (왼쪽 및 오른쪽)를 선택하고 왼쪽 이미지가 왼쪽 슬롯에 있고 오른쪽 이미지가 오른쪽 슬롯에 있는지 확인하십시오.
    4. "Half color anaglyph RL / 2"옵션을 선택하고 JPEG 형식으로 애너 글리프를 생성하십시오.

4. DTI 기술

  1. 참조 된 웹 사이트에서 Human Connectome Project 확산 데이터 23 을 다운로드하여 사전 처리 된 확산 데이터를 수집합니다.
    참고 : 데이터는 사전 처리되어 다운로드되며 다음 절차로 구성됩니다. 확산 데이터는 다중 방사 센서가있는 스핀 에코 평면 이미징 (EPI) 시퀀스를 사용하는 수정 된 3T MRI 장치 (기기 테이블)를 사용하여 일반 자원 봉사자에게 수집되었습니다. 밴드 이미지 가속기 ( 24 , 25 , 26 , 27 , 28)를 포함 한다. 관련 시퀀스 매개 변수는 다음과 같습니다. TR = 5,520ms; TE = 89.5 ms; FOV = 210 x 180 mm; 매트릭스 = 168 x 144; 슬라이스 두께 = 1.25 mm (보셀 크기 1.25 x 1.25 x 1.25 mm); 멀티 밴드 인자 = 3; 및 b 값 = 1,000 s / mm2 (95 방향), 2,000 s / mm2 (96 방향) 및 3000 s / mm22 (97 방향). 그런 다음 FreeSurfer 29 및 FSL 30 을 사용하여 데이터를 처리했습니다. 과정은 와전류 보정, 모션 보정, 강도 정규화, 자화율 왜곡 보정 및 기울기 비선형 성 보정 28 , 31 , 32 , 33을 포함 합니다. 해당 T1 가중치 MP-RAGE 이미지도 다운로드 패키지에 포함되어 있습니다. 절차는 Human Connectome Project 절차 매뉴얼 23에 문서화되어 있습니다.
  2. Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 를 사용하여 확산 된 데이터를 후 처리하여 일반화 된 q 샘플링 이미징 (GQI) 알고리즘 35 를 사용하여 예상되는 복셀 방향 확산 분포 함수 (ODF)를 생성합니다.
    1. 다운로드 한 데이터 세트를 sel로 소프트웨어에로드하십시오."STEP1 : 오픈 소스 이미지"를 조작하고 data.nii.gz 파일을 선택하십시오.
    2. "STEP2 : Reconstruction"버튼을 선택하십시오. 뇌 마스크를 확인한 후 "2 단계"로 진행하여 재구성 방법으로 "GQI"를 선택하십시오. "길이 비율"이 "1.0"인 "r ^ 2 가중치"를 선택하십시오. 나머지 선택 항목은 기본값으로 두십시오.
    3. "재구성 실행"을 선택하십시오.
  3. 섬유 추적을 간소화하기 위해 관심 지역에 적합한 씨앗을 놓습니다.
    1. "Region Window"에서 "Atlas"버튼을 클릭하여 상부 종단 대뇌층 (SLF)의 씨앗을 배치하십시오. "Brodmann"을 선택하고 "Region 6"과 "Region 7"을 추가하십시오. 지역 창에서 "지역 6"유형을 "시드"로 설정하고 "지역 7"유형을 "포함 지역"(ROI)으로 설정하십시오.
      1. 지역 창에서 "새 지역"을 선택하고 수동으로 ROI를 그립니다.관상 면상의 상완 전두엽의 가장 후방에 위치한다. 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    2. 지역 창에서 "새 지역"을 사용하고 관상면의 중간 정면 이이 흰색 물질의 후면 부분에 "시드"영역을 그리는 방법으로 SLF II의 씨앗을 배치하십시오. "Atlas"(4.3.1 단계)와 Brodmann 지역 9, 10, 46, 39 및 19를 사용하여 ROI를 선택하십시오. 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 트래킹을 수행하십시오.
    3. 지역 창에서 "Atlas"(4.3.1 절과 동일)를 사용하고 "지역 40"의 "Atlas ..."에서 Brodmann지도와 ROI의 "Region 40"을 선택하여 SLF III의 시드를 "시드"영역과 배치합니다. "및"지역 44 " 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    4. 지역 창에서 "새 지역"을 사용하여 목구멍 섬유의 씨앗을 놓고 th를 포함한 시상면에 "씨앗"을 그립니다전자 코퍼스. 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    5. 지역 창에서 "새 지역"을 사용하고 관상 동맥의보기에 중간 cingulate 이랑에 "씨앗"영역을 그려 cingulate 섬유에 대한 씨앗을 놓으십시오. "새로운 영역"을 사용하여 두 개의 ROI를 그려보십시오. 하나는 더 앞쪽에있는 표층에 있고 다른 하나는 관상면 아래에있는 후부의 cingulate gyrus에 있습니다. 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    6. 지역 창에서 "새 지역"을 사용하고 "아틀라스 ..."기능을 사용하여 코로나 라다 타의 ROI를 사용하여 골동품에 "씨앗"을 그려서 두루 피질 섬유의 씨앗을 놓으십시오. 아틀라스를 "JHU-WhiteMatter-labels-1mm"으로 선택하십시오.
      1. "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata"및 "Superior_corona_radiata"를 선택하여 추가하십시오. "New Region"을 사용하여 축면에서 폐허의 수준보다 열등한 평면을 통과하는 모든 섬유에 대한 회피 영역을 그립니다."4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    7. 지역 창에서 "Atlas ..."기능의 "seed"를 사용하여 대뇌 피질 구역의 씨앗을 놓습니다. "JHU-WhiteMatter-labels-1mm"을 선택하고 "Corticospinal_tract"영역을 추가하십시오. 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    8. 지역 창에서 "Atlas ..."기능의 "seed"영역을 사용하고 "Region 44"및 "Region 45"에서 Brodmann atlas 및 "Region 6"ROI를 선택하여 정면 경사면 (FAT)의 시드를 배치하십시오. " 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
    9. "Atlas ..."기능을 사용하여 "지역 6"에 "종자"와 함께 frontostriatal tract (FST)의 종자를 놓습니다. "HarvardOxfordSub"지도에서 "caudate", "putamen"및 "globus pallidus"에 새 영역을 삽입하고 영역 창의 유형을 "end"로 설정합니다."
      참고 : FST에 대한 광섬유 추적은 추적 세션 ( 즉, 지역 6 및 꼬리 표식, 지역 6 및 피 가멘, 그리고 마지막으로 지역 6 및 영사에 따라 지역 6 시드 및 하나의 피하 조직 시드를 선택하여 수행됩니다 pallidus).
      1. 각 조합에 대해 4.4 단계에서 설명한대로 광섬유 추적을 수행하십시오.
  4. 위의 각 조합에 대해 광섬유 추적을 수행하십시오.
    1. "옵션"창에서 qa 종료 지수 0.08, 각도 임계 값 75, 스텝 크기 0.675, 스무딩 0.2, 최소 길이 20 mm 및 최대 길이 200 mm와 같이 추적 매개 변수를 설정하십시오. 씨앗 방향을 "모두"로 선택하고 시드 위치를 "Subvoxel"로 설정하고 씨드 닝을 "설정"으로 임의 화합니다. 유선 (Euler) 추적 알고리즘으로 삼선 방향 보간법을 사용하십시오. 위의 각 지역 조합에 대해 & #.34, Fiber Tracts "창.
      참고 : 추적의 무작위화된 특성으로 인해 "허위 섬유"가 식별되고 선택적으로 제거되며, "New Region"으로 손으로 그려진 회피 영역이 있습니다.
  5. Affine은 DSI-Studio의 "조각 -> T1 / T2 이미지 삽입"기능을 사용하여 Human Connectome Project 데이터 세트에 제공된 뇌 추출 T1 가중 3D MP-RAGE 스캔을 확산 데이터에 등록합니다. "Slices -> Isosurface 추가"를 선택하여 뇌의 표면 렌더링을 생성하십시오. 665의 "임계 값"을 사용하십시오.

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결과

SMA 복합체는 상전이의 후부에 위치하고 있습니다. SMA 복합물의 경계는 후 중심부의 전 중심 고랑, 측부 하벽의 상측 정점 고관절 및 대퇴 - 하위부 - 고관절 - 내측 고관절입니다. SMA 복합체는 전방 SMA 전방과 후방 18 SMA로 구성됩니다. 이들 두 부분 ( 18) ( 도 1AB ) 사이의 백색 물질 연결 및 기능면에서 차이가있다. 우리는 섬유 해부 및 DTI 기술을 사용하여이 두 부분의 대뇌 피질 및 피질 하부 연결을 연구하고 3D 이미지로 보여주었습니다.

SMA 콤플렉스의 연관 섬유

전두엽...

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토론

백색 물질 통로의 중요성과 연구 기법

대뇌 피질은 인간의 삶의 250 만년과 관련된 주요 신경 구조로 받아 들여집니다. 대략 200 억 개의 뉴런이 형태 학적 및 세포의 명세에 기초하여 다양한 부분으로 분리되어있다. 각 피질 부분의 구조는 감각 운동과 감각 운동, 복잡한 추론과 같이 기능적으로 하위 그룹으로 분류됩니다. 영장류의 모든 행동은 신경 시스템의 대뇌 피질 및 피질 하부 영역을 통해 지형적으로 분포 된 독특한 해부학 적 기능적 연결과 영역에 의해 형성되었다고 결정되었다. 대뇌 피질에 대한 연구가 상세히 진행되었지만 다른 영역을 연결하는 신경계의 백질 경로에 대한 지식이 여전히 부족합니다. centrum semiovale 및 corona radiata와 같은 영역은전에 육안으로 볼 수 있습니다. 1800 년대에 연구자들은 미엘린 색소 물질을 이용한 원숭이의 심한 해부 및 아미노 물질의 도움을 받아 백색 물질 섬유 시스템을 이해하는 오토 라디오 그래피 방법을 수행했습니다. c...

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공개 사항

저자는 장비 및 의약품을 포함하여 경쟁적인 금전적 이해 관계가없고 자금 및 지원의 출처가 없음을 선언합니다.

감사의 글

이 데이터는 Neuroscience Research를위한 NIH Blueprint를 지원하는 16 개의 NIH 연구소 및 센터가 후원하는 Human Connectome Project, WU-Minn 컨소시엄 (Principal Investigators : David Van Essen 및 Kamil Ugurbil, 1U54MH091657)에 의해 부분적으로 제공되었습니다. 워싱턴 대학의 맥도넬 시스템 신경 과학 센터 (McDonnell Center for Systems Neuroscience) 그림 2A와 2D는 Rhoton 컬렉션 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899)의 허가를 받아 재현되었습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
%4 파라포름알데히드 용액AFFYMETRIX, Inc.2046C208고정
냉동 냉동INSIGNANS-CZ70WH6freez에 사용
팬필드 해부기AESCULAPFD305부에 사용
마이크로 가위W. Lorenz04-4238부에 사용
마이크로 훅V. MuellerNL3785-009해부에 사용
MICRO VESSEL STRETCHER/ 확장기W. Lorenz04-4324miscrodissection
Emax2 SC 2000 전기 콘솔Anspach 회사SC2102두개골 절개
드릴 세트Anspach 회사NS-CZ70WH6두개골 절개술
20-1000 운영 현미경Moeller-Wedel, 독일FS 4-20miscrodissection
캐논 EOS 550D 18 MP CMOS APS-C 디지털 SLR에 사용 카메라: Canon Inc.사진 촬영에 사용되는
DS126271 EF 100mm f/2.8L IS USM 매크로 렌즈Canon Inc.4657A006사진 촬영에 사용
MR-14EX II 매크로 링 라이트 (플래시)Canon Inc.9389B002사진 촬영에 사용
각대Lino Manfrotto322RC2사진 촬영에 사용
MAYFIELD Infinity Skull ClampIntegra Inc.A0077헤드
수정 Skrya 3T "Connectome"스캐너Siemens Company, Inc.A911IM-MR-15773-P1-4A00스캔에 사용
DTI XstereO 플레이어Yury Golubinsky버전 3.6(22)너글리프
EF-S 18-55mm f/3.5-5.6 IS II SLR 렌즈Canon Inc.를2042B002사진 촬영에 사용
메스6B INVENT7-104-L절개
감속기Anspach CompaniesCSR60버 구멍
14mm 두개골 천공기Anspach CompaniesCPERF-14-11-3F버 구멍
2mm x 15.6mm 홈Anspach CompaniesA-CRN-M에 사용
2.1mm 핀 모양의 버Anspach Companies03.000.130S두술을 만드는 데 사용됩니다
해 수술 해 수술 해부 미스 크로 술 에 사용 삼은 를 고정하는 데 사용됩니다.애 만드는 데 사용 소형 라우터 개두술 제작 개.

참고문헌

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