Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Neuroscience
Click here for the English version

Neuroscience

Fiberanslutningar av det kompletterande motorområdet som reviderats: Metod för fiberdissektion, DTI och tredimensionell dokumentation

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

Syftet med denna studie är att visa varje steg i fiberdissektionstekniken på mänskliga kadaveriska hjärnor, 3D-dokumentationen av dessa dissektioner och diffusionstensorbildningen av de anatomiskt dissekerade fiberbanorna.

Abstract

Syftet med denna studie är att visa metoden för undersökning av de vita substansanslutningarna i SMA-komplexet (före SMA och SMA) med hjälp av en kombination av fiberdissektionsteknik på kadaveriska prover och magnetisk resonans (MR ) Traktografi. Protokollet kommer också att beskriva förfarandet för en vit materia-dissektion av en mänsklig hjärna, bildning av diffusion tensor-traktografi och tredimensionell dokumentation. Fiberdissektionerna på mänskliga hjärnor och 3D-dokumentationen utfördes vid University of Minnesota, Microsurgery och Neuroanatomy Laboratory, Department of Neurochirurgy. Fem postmortem mänskliga hjärnprover och två hela huvuden bereddes i enlighet med Klinglers metod. Hjärnhalvfrekvenserna dissekerades steg för steg från lateral till medial och medial till lateral under ett operationsmikroskop och 3D-bilder togs i alla steg. Alla dissektionsresultat stöddes av diffusionstensoravbildning. Undersökningar på anslutningarna i linje med Meynerts fiberkanalklassificering, inklusive föreningsfibrer (korta, överlägsna longitudinella fascikulus I och främre aslantkanaler), projiceringsfibrer (corticospinal-, claustrocortical-, cingulum- och frontostriatala kanaler) och kommisionsfibrer (callosalfibrer) var Också genomförd.

Introduction

Bland de 14 främre områdena som beskrivs av Brodmann är det premotorala och prefrontala området som ligger framför precentralmotorbarken länge ansedd som en tyst modul trots att frontalsken spelar en viktig roll i kognition, beteende, lärande, Och talbehandling. Utöver det komplementära motorområdet (SMA) -komplexet, som består av före SMA och SMA (Brodmann Area, BA 6) som sträcker sig medialt, innehåller premotor / frontmodulen den dorsolaterala prefrontalen (BA 46, 8, Och 9), frontopolar (BA 10) och ventrolaterala prefrontala (BA 47) cortices, liksom en del av den orbitofrontala cortexen (BA 11) på hjärnans 1 2 sida .

SMA-komplexet är ett betydande anatomiskt område som definieras av dess funktioner och dess anslutningar. Resektionen och skadan av denna region orsakar signifikanta kliniska underskott som kallas SMAsyndrom. SMA-syndromet är ett viktigt kliniskt tillstånd som särskilt observeras i frontalgliomfall som innehåller SMA-komplexet 3 . SMA-komplexet har kopplingar till det limbiska systemet, basala ganglier, cerebellum, thalamus, kontralaterala SMA, överlägsen parietallobe och delar av frontalloberna via fiberkanaler. Den kliniska effekten av skador på dessa vita substansanslutningar kan vara svårare än för cortex. Detta beror på att konsekvenserna av skador på cortex kan förbättras över tiden på grund av hög kortikal plasticitet 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Därför bör SMA: s regionala anatomi och de vita vägarna vara djupaDu förstod, särskilt för gliomoperation.

En omfattande förståelse för anatomin av vita materievägar är viktig för den bredspektrumsbehandling av neurokirurgiska lesioner. Nya studier av den tredimensionella dokumentationen av de anatomiska resultaten som erhölls inom mikrokirurgi användes för att få en bättre förståelse av topografisk anatomi och förhållandet mellan hjärnvitt materievägar 13 , 14 . Därför var syftet med denna studie att undersöka de vita substansanslutningarna av SMA-komplexet (före SMA och SMA) genom att använda en kombination av fiberdissektionstekniker på cadaveric-prover och magnetisk resonansbildnings (MRT) traktografi och förklara alla metoder Och principer för båda teknikerna och deras detaljerade dokumentation.

Planering och strategi för studier

Före utförandet av experimenten, en literAturesökning på grundprinciperna för fiberdissektioner, de procedurer som måste tillämpas på prover före och under dissektioner och alla samband mellan SMA-regioner som har uppdagats med dissektion och DTI genomfördes. De tidigare studierna om den anatomiska lokaliseringen och separationen av pre-SMA och SMA-riktiga regioner och på topografiska anatomin hos deras anslutningar granskades.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Den avlidne ingår här som en befolkning, även om avlidna personer inte är tekniskt mänskliga ämnen. Mänskliga ämnen definieras av 45 CF 46 som "levande människor 15 , 16 ".

1. Framställning av prov

  1. Undersök 5 formalin-fixade hjärnor (10 hemisfärer) och 2 hela mänskliga huvuden.
  2. Lös proven i en 10% formalinlösning i minst 2 månader enligt Klinglers metod 17 .
  3. Frys alla prov vid -16 ˚C i 2 veckor enligt Klinger metod 17 .
  4. Tina proven under kranvatten.
  5. Utför en utvidgad frontotemporal kraniotomi på kadaverhuvudet för att exponera hjärnan.
    1. Placera kadaverhuvudet i en trepinnarskalleklämma (Materialbord).
    2. Gör en frontotemporal hud snitt med en skalpell.
    3. Ta bort huden och musklerna med en skalpell, pincett och sax.
    4. Gör ett eller flera burrhål i skallen tills dura materen är uppnådd; Använd en borr med en kompakt hastighetsreducerare och en 14 mm kraniell perforatorfästning vid 79 000 rpm (Materialbord).
    5. Klipp benfliken och öppna skalen med en 2 mm x 15,6 mm räfflad router med en 2,1 mm stiftformad burrfäste vid en borrhastighet på 80 000 rpm (Materialbord).
  6. Ta bort dura, arachnoid och pia mater och dissekera med en mikrodissektor under ett mikroskop vid 6X till 40X förstoring 5 , 18 (Materialbord).

2. Fiberdissektionsteknik

OBS: Utför alla dissektioner under 6X till 40X förstoring på ett kirurgiskt mikroskop.

  1. Utför fiberdissektionerna på ett stegvis sätt på varje hemispheRe, från lateral till medial och medial till lateral.
    1. Avkorta hjärnbarken med hjälp av en paneldissektor (Materialbord) och avlägsna alla frontala kortikala vävnader för att avslöja de korta föreningsfibervägarna, vilka är U-fibrer eller intergyrala fibrer som förbinder grannskapet 5 , 13 .
    2. Ta bort de korta föreningsfibrerna med en paneldissektor och en kirurgisk mikrokrok genom att försiktigt trimma under mikroskopet (Materialbordet) för att nå och exponera de långa föreningsfibrerna, som förbinder avlägsna områden i samma halvklot.
    3. Gå djupt in i de långa föreningsfibrerna för att ta bort de ytliga föreningsfibrerna med hjälp av en kirurgisk mikrokrok och en paneldissektor; Ta bort varje fiberbunt under ett mikroskop (materialbord) för att exponera projektionsfibrerna.
    4. Visa varje anslutning av SMA-komplexetEnligt den topografiska anatomin som tidigare definierades i litteraturen 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Håll alla exemplar (hela huvuden och hjärnor) som användes under dissektionerna i 10% formaldehydlösning (materialbord) mellan dissektionsperioderna.

3. 3D fotograferingsteknik

  1. Använd en svart färgplattform under fotograferingen av proverna.
  2. Följ en 3D fotograferingsteknik 22 .
    1. Placera varje prov i en designad svart färgplattform.
    2. Välj en scen med en full frontvy av provet och ta ett skott genom att fokusera kameran på vilken punkt som helst på provet nära mittpunkten på kameraskärmen (instrumentflikenle). Använd en 18- till 55 mm f / 3.5-5.6 SLR-lins eller en 100 mm f / 2.8 L-makrolins och ställ in bländaren till F29, ISO 100.
    3. Vrid kameran något till vänster tills den högsta punkten på kameraskärmen är densamma som fokuspunkten ovan. Skjut kameran åt höger tills mittpunkten på skärmen överlappar den ursprungliga fokuspunkten på provet. Fokusera kameran vid denna punkt och ta ett nytt skott.
    4. Bibehålla kamerans avstånd och axel till provet som fotograferas med konstanta värden.
  3. Skapa en 3D-bild med hjälp av ett 3D-bildgeneratorprogram (Materialbord).
    1. Öppna 3D-programvaran.
    2. Välj "Öppna stereobilder från fil."
    3. Välj de två bilderna (vänster och höger) och se till att den vänstra bilden ligger i vänster lucka och den högra bilden ligger i den högra luckan.
    4. Välj alternativet "Halvfärg anaglyph RL / 2" och generera anaglyfen i jpeg-format.

    4. DTI-teknik

    1. Skaffa förbehandlade diffusionsdata med hjälp av Human Connectome Project diffusion data 23 genom att ladda ner den från den refererade webbplatsen.
      OBS: Data laddas ner förbehandlade och bestod av följande procedurer: Diffusionsdata förvärvades hos normala volontärer med hjälp av en modifierad 3 T MRI-enhet (instrumenttabell) med användning av en EPI-sekvens med ekko-eko-planbildning (EPI) Bandbildacceleration 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Relevanta sekvensparametrar innefattar: TR = 5,520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matris = 168 x 144; Skivtjocklek = 1,25 mm (voxelstorlek 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Multibandfaktor = 3; Och b-värden = 1000 s / mm 2 (95 riktningar), 2000 s / mm 2 (96 riktningar) och 3000 s / mm2 (97 riktningar). Data bearbetades sedan med användning av FreeSurfer 29 och FSL 30 ; Processen inkluderade virvelströmskorrigering, rörelsekorrektion, normalintegration av b0-intensitet, korrigering av modifieringsförvrängning och korrigering av gradient-olinjäritet 28 , 31 , 32 , 33 . Motsvarande T1-viktiga MP-RAGE-bilder ingår också i nedladdningspaketet. Procedurer dokumenteras i manualen för Human Connectome Project 23 .
    2. Efterprocessera diffusionsdata med användning av Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 för att generera en uppskattad diffusororienteringsdistributionsfunktion (ODF) med hjälp av en generaliserad q-samplingsbilder (GQI) -algoritm 35 .
      1. Ladda ner den nedladdade databasen i mjukvaran av selEcting "STEP1: Öppna källbilder" och välja filen data.nii.gz.
      2. Välj "STEP2: Reconstruction" -knappen. Efter att ha verifierat hjärnmasken fortsätter du till "Steg 2" och väljer "GQI" som återuppbyggnadsmetod. Välj "r ^ 2 viktning" med ett "längdförhållande" av "1.0". Lämna de återstående valen som standard.
      3. Välj "Kör rekonstruktion."
    3. Placera lämpliga frön för regioner av intresse för att effektivisera fiberspårningen.
      1. I "Regionfönstret" klickar du på "Atlas" -knappen för att placera frön för den överlägsen longitudinella fasciculusen (SLF) I. Välj "Brodmann" och lägg till "Region 6" och "Region 7." I regionfönstret ställer du "Region 6" -typen till "frö" och "Region 7" -typen till "region-of-inclusions" (ROI).
        1. Välj "Ny region" i regionfönstret och dra en avkastning manuelltI den mest bakre delen av den överlägsna frontala gyrus i koronplanet. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      2. Placera frön till SLF II på liknande sätt genom att använda "Ny region" i regionfönstret och dra "frö" -regionen i den bakre delen av mellansidan av Gyrus vitmaterial i koronalplanet. Välj en avkastning med hjälp av "Atlas" (som i steg 4.3.1) och Brodmannregionerna 9, 10, 46, 39 och 19. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      3. Placera frön för SLF III med en "frö" -region med hjälp av "Atlas" (som i steg 4.3.1) i regionfönstret och välj "Region 40" på Brodmann-atlasen och avkastningen från "Atlas ..." i "Region 40 "Och" Region 44. " Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      4. Placera frön för callosalfibrer med "Ny region" i regionfönstret och dra ett "frö" i sagittalplanet som omfattarE corpus callosum. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      5. Placera frön för cingulatfibrer med hjälp av "New Region" i regionfönstret och dra en "frö" -region i mid-cingulate gyrus på koronalvyn. Använd "Ny region" för att rita två ROI, en i det mer främre cingulatet och en i den bakre cingulära gyrusen under koronalvyn. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      6. Placera frön för claustrocortical fibrer med hjälp av "New Region" i regionfönstret och dra ett "frö" i klaustrummet med en ROI i corona radiata med funktionen "Atlas ...". Välj atlasen som "JHU-WhiteMatter-etiketter-1mm."
        1. Välj och lägg till "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" och "Superior_corona_radiata". Rita en region för undvikande för alla fibrer som passerar genom ett plan som är lägre än nivån på klaustrummet i axialplanet med hjälp av "New Region"I regionfönstret. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      7. Placera frön för kortikospinalkanalen med hjälp av ett "frö" från funktionen "Atlas ..." i regionfönstret. Välj "JHU-WhiteMatter-labels-1mm" och lägg till "Corticospinal_tract" -regionen. Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      8. Placera frön för den främre aslanten (FAT) med hjälp av en "frö" -region från funktionen "Atlas ..." i regionfönstret och välj Brodmann-atlasen och "Region 6" ROI i "Region 44" och "Region 45". " Utför fiberspårning enligt beskrivningen i steg 4.4.
      9. Placera frön i frontostriatala området (FST) med ett "frö" i "Region 6" med funktionen "Atlas ...". Lägg in nya regioner i "caudate", "putamen" och "globus pallidus" från "HarvardOxfordSub" -atlasen och ställ in typen i regionfönstret för att "avsluta"."
        OBS: Fiberspårning för FST kommer att utföras genom att välja Region 6-fröet och endast en av de subkortiska fröna per spårningssession ( dvs. region 6 och caudate följt av region 6 och putamen och slutligen region 6 och globus pallidus).
        1. Utför fiberspårning som beskrivet i steg 4.4 för varje kombination.
    4. Utför fiberspårning för var och en av ovanstående kombinationer.
      1. I fönstret "Alternativ" ställer du in spårningsparametrarna som: avslutningsindex för qa på 0,08, vinkelgräns på 75, stegstorlek på 0,675, utjämning av 0,2, minsta längd på 20 mm och maximal längd på 200 mm. Välj fröorienteringen som "All", fröpositionen som "Subvoxel" och slumpmässig sådd som "På". Använd trilinärriktningsinterpolering med en spårningsalgoritm med strömlinjeformat (Euler). För varje kombination av regioner ovan väljer du "Kör spårning" i & #34; Fiber Tracts "fönstret.
        ANMÄRKNING: På grund av spårningens slumpmässiga natur identifieras "falska fibrer" och avlägsnas selektivt, med regioner som undviks av hand som "Ny region".
    5. Affine registrerar den hjärnekstraherade T1-vägda 3D MP-RAGE-skanningen som tillhandahålls i Human Connectome Project-datasatsen till diffusionsdata med funktionen "Skivor -> Sätt in T1 / T2-bilder" i DSI-Studio. Skapa en yta av hjärnan genom att välja "Skivor -> Lägg till Isosurface". Använd en "tröskel" på 665.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

SMA-komplexet är beläget i den bakre delen av den överlägsna frontgyrusen. Gränserna för SMA-komplexet är precentral sulcus posteriorly, den överlägsen främre sulkusen sämre lateralt och den cingulära sulcusen sämre medialt 18 . SMA-komplexet består av två delar: Pre-SMA anteriorly och SMA-korrekt posterior 18 . Det finns skillnader när det gäller anslutningar av vit materia och funktion mellan dessa två delar 18 ( Figur 1A och B ). Vi studerade kortikala och subkortiska kopplingar av dessa två delar med fiberdissektion och DTI-tekniker och visade dem i 3D-bilder.

Association Fibers i SMA Complex

Avlägsnande av den främre lobens cortex exponerade de korta associeringsfibrerna, tHan så kallade U-fibrer, som förbinder grannar Gyri 18 ( Figur 1C ). De korta associeringsfibrerna i SMA-komplexet ger förbindelser mellan SMA-komplexet och motorcortexen bakom och mellan SMA-komplexet och den för-frontala cortexen främre 18 ( Figur 2B ). De tillhandahåller också kopplingar mellan SMA och SMA som är korrekt i SMA-komplexet. De mest ytliga långa föreningsfibrerna är den överlägsna longitudinella fascikulus II (SLF II) och den främre operativa delen av SLF III 13 , 36 ( Figur 2A ). Vi avlägsnade SLF II och SLF III precis före precentral sulcus för att exponera den främre aslantkanalen (FAT), som förbinder överlägsen främre gyrus och den underlägsna frontala gyrusen ( Figur 2B ). FAT är ytliga association fibrer som uppstår från pre-SMA och pars opercularis.

Under FAT-dissektion är det kritiskt att anatomiskt skilja FAT från corona radiata-fibrer, vilka löper parallellt i vertikalplanet. Som litteraturen indikerar, går FAT-fibrer snett från SMA-regionen till den underlägsna frontgyri och blir ytliga i pars opercularis 2 . Andra korona radiata och klaustrokortiska fibrer löper dock djupt till de basala ganglierna utan att vara ytliga 18 ( Figur 2C , 3C och 3D ).

Ett annat föreningsfiberområde i SMA-komplexet är SLF I, som förbinder överlägsen parietalloben med överlägsen frontallob (SMA-komplexet) och den främre cingulära cortexen på medialsidan av halvklotet 18 , 36 . Uppdelningen av SLF I utfördes medial till latEral efter dekortikering av mediala ytan på halvklotet ( Figur 2A , 3A och 3B ).

Kommersiella fibrer i SMA-komplexet

Den huvudsakliga kommissionsfibervägen är callosalfibrerna, som förbinder SMA-komplexet med kontralaterala SMA-komplexet. Callosalfibrerna är placerade mellan corona-strålningen, cingulumet och SLF I-fibrerna och korsar till mittlinjen via corpus callosum för att nå det kontralatala SMA-komplexet ( Figur 2A , 4A och 4B ).

Projektionsfibrer i SMA-komplexet

Projektionsfibrerna består av 4 olika fibergrupper som är relaterade till SMA-komplexet: cingulumfibrerna, klaustrokortiska fibrer, frontokitriatala kanaler ochKortikospinalkanalen. Cingulärfibrerna härstammar från medialytan på halvklotet för att bilda cingulum och springa in i den cingulära gyrusen. Funktionen hos dessa fibrer är att tillhandahålla kopplingar mellan SMA-komplexet och det limbiska systemet 18 ( Figur 2A och 4C ).

Fördelningen av de claustrocortical fibre gränserna är den främre kanten av pre-SMA anteriorly och den bakre delen av parietal lobe posteriorly ( Figur 2D och 4D ). Därför avslutar de fibrer som härstammar från klaustrummet i alla SMA-komplexa områden (före SMA och SMA) 37 .

Frontostriatala distriktet (FST) förbinder SMA-komplexet och dorsalstriatumet ( dvs caudate-kärnan och putamen) och reser mellan externa och interna cApsules 18 ( Figur 3C och 3D ). Det är svårt att särskilja FST från andra inre kapselfibrer ( t ex thalamisk peduncles, frontopontinfibrer etc.), liksom från andra fibrer i vertikalplanet ( t.ex. FAT och andra corona radiata fibrer) vid användning av Fiberdissektionsteknik. Ändå, Grande et al. Använde DTI-tekniken för att visa att FST-fibrerna som uppstår från SMA-komplexet upphör i både externa och inre kapslar 18 . Cirka 10% av de kortikala ryggradsfibrerna uppstår från SMA som är ordentligt och avslutas i ryggmärgen, men dessa fibrer uppstår inte från före SMA 38 ( Figur 4E ).

Figur 1
Figur 1: Sidodel ochMedial yta på vänster frontallovy. Märkta 2D-illustrationer åtföljer varje 3D-illustration på vänster sida. Vänster halvklot sidovy: SMA korrekt (lila) och före SMA (grönt); SMA-komplexet är beläget i den bakre delen av den överlägsna frontgyrusen, precis framför precentralgyrusen ( A ). Vänster halvklot medial utsikt. En imaginär vertikal linje vid nivån av den främre kommissionen, vinkelrätt mot linjen som ligger mellan de främre och bakre kommissionerna, är gränsen mellan SMA (lila) och före SMA (grön) ( B ) 39 . Efter avkallningsvisning. Avkodningen avslöjar korta associeringsfibrer, benämnda "U-fibrer". U-fibrerna ansluter angränsande gyri till varandra, till exempel SMA-SMA till SMA och SMA som är korrekt mot motorcortexen ( C ). Vänligen klicka härFör att se en större version av denna figur.

Figur 1
Figur 2: Lateral-to-medial Fiber Dissection. Märkta 2D-illustrationer åtföljer varje 3D-illustration på vänster sida. Sidovy; SLF II sträcker sig mellan vinkelgyrus och mellansidan gyrus och slutar vid pars opercularis och pars triangularis. SLF III förbinder supramarginal gyrus och pars triangularis i frontoparietal operculum. Medial view; SLF Jag förbinder den överlägsna parietalloben med den främre cingulära cortexen och den mediala ytan på överlägsen frontal gyrus, som inkluderar SMA-komplexet ( A ). Efter avlägsnande av en del av SLF II vid koronal nivå exponerades FAT ( B ). FAT-fibrerna rör sig snett från SMA-regionen till den underlägsna fronten gyri och blir ytligaI pars opercularis. Andra corona radiata fibrer löper djupt till de basala ganglierna utan att vara ytliga ( C ). Ett annat prov som visar den utsatta gränsen för den claustrocortical fiberfördelningen på kortikala området, som ligger mellan den främre delen av pre-SMA och den bakre delen av parietalloben ( D ). Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 1
Figur 3 : DTI-studie av SMA-anslutningar. SLF-fibrer ses på en sagittalskiva ( A ) och en koronalskiva ( B ) på DTI. SLF I (gul); SLF II (orange); SLF III (turkos). Förhållande mellan FAT (grön) och FST (blå) sagittal ( C ) och koronal ( D Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Figur 1
Figur 4 : DTI-studie av SMA-anslutningar. Callosalfibrer ses på en koronal skiva ( A ) och en sagittalskiva ( B ) på DTI. De cingulära fibrerna (röda) ( C ), de claustrocortical fibrerna (orange) ( D ) och corticospinalkanalen (lila) ( E ), ses på sagittala skivor på DTI. Vänligen klicka här för att se en större version av denna figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Betydelsen av och studieteknik för de vita frågorna

Hjärnbarken accepteras som en huvudsaklig neural struktur i samband med 2,5 miljoner år av människoliv. Cirka 20 miljarder neuroner har separerats i olika delar baserat på morfologisk och cellulär specifikation 40 . Arkitekturen hos var och en av dessa kortikala delar har varit funktionellt undergrupperad, såsom sensorimotorisk känsla och rörelse, känslomässig erfarenhet och komplex resonemang. Det var bestämt att alla beteenden i primater har bildats av unika anatomofunktionella anslutningar och regioner som är topografiskt fördelade genom de kortikala och subkortiska områdena i nervsystemet. Även om hjärnbarken har undersökts i detalj, finns det fortfarande brist på kunskap om nervsystemet i nervsystemet som förbinder olika områden. Områden som centrum semiovale och corona radiata har varit sTudied före under en makroskopisk vy. Under 1800-talet utförde forskare bruttospridningen av apor med hjälp av myelinfärgningsmaterial och autoradiografimetoder som applicerades med hjälp av aminosyror för att förstå det vita materia fibersystemet. Vissa viktiga associeringsfibrer, såsom cingulum och uncinate fasciculus, har identifierats och namngivits med dessa studier. Å andra sidan är identifieringen av andra vita materievägar, såsom den bågformiga fasciculusen / överlägsen longitudinell fasciculus och den underlägsna longitudinella fasciculusen, fortfarande motsägelsefull i litteraturen 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

En förståelse av vita materia strukturer är väldigt viktigt för att ge detaljer om de anatomiska processerna på hög nivå beteende och strukturen och funktionen av hjärnan. enDjupare förståelse av de vita vägarna är också kritisk för kliniska mål. Många sjukdomar orsakas av lesioner som påverkar de vita vägarna. Tidigare fanns det ingen unik och korrekt teknik som kunde användas för att beskriva fiberbanorna, trots förbättringar i radiologiska bildtekniker. Den kadaveriska fiberdissektionstekniken, som är den äldsta tekniken, var den ideala metoden för neuroanatomisk utbildning av unga neurokirurger och den bästa standarden bland de traktografiska teknikerna baserade på diffusionstensoravbildning, MR-traktografi, diffusionsspektrumtraktografi och autoradiografi. Fibervägarna kan visualiseras in vivo med MRI; Nackdelen med denna teknik är dock svårigheten att bestämma termineringen och uppkomsten av fiberbanorna. Den autoradiografiska tekniken kan endast användas i försöksdjur. Kännedom om fiberkanalanatomi är kritisk för att få en bättre förståelse för kognitiv, psycHiatric och motor manifestationer efter vit materia störningar som multipel skleros.

Plastitet finns i grå materia, men inte i vit materia; Någon perioperativ skada på vit substans orsakar irreversibla underskott hos patienten (Schmahmann et al. ). Detta gör fiberbanans anatomi mer värdefull vid neurokirurgi 46 . Under preoperativ kirurgisk planering för avlägsnande av intraaxiella lesioner bör placering och förskjutning av de viktiga fiberbanorna, såsom den bågformiga fasciculusen, optiska strålningar och kortikospinalkanalen beaktas för en lyckad operation. Den anatomiska kunskapen, tillsammans med preoperativ MR-traktografi, ger en sund utvärdering och kirurgisk planering för varje patient. Under tiden bidrar utförande av kadaverfiberdissektion under operationsmikroskopet till att förbättra kirurgens handkunskaper och ger en djupare förståelse av komplexa brAnatomi i tre dimensioner. För att uppnå dessa vinster bör kirurgen spendera tid i ett mikrokirurgi laboratorium. Han / hon bör bara fokusera på fiberbanorna under dissektionen, snarare än vad han / hon skulle vilja se. Å andra sidan har förbättringar i DTI-bildtekniker idag gjort det möjligt att identifiera större fibervägar in vivo , både i normal hjärna och i kliniska situationer där fibersystemet påverkas. Initialt tillhandahöll denna metod ingen information om start- och avslutningsregionerna hos stora fiberbuntar och var endast effektiv i definitionen av förlängningar. Men med utvecklingen av MR-traktografi och diffusionsspektrumbilder (DSI) har stora steg tagits för att förstå normal hjärnanatomi i in vivo och kliniska studier 47 , 48 , 49 . Under de senaste åren har det föreslagits att kartläggning av vita materialvägarÄr mycket kritiskt för att förhindra postoperativa underskott. Det är också användbart att utföra intraoperativ elektrisk kartläggning av den vita substansen för att skydda signifikanta subkortiska strukturer och deras funktioner 50 , 51 . Därför bör anatomin i frontregionen och de vita vägarna förstås grundligt för frontal-gliomoperation.

Anatomiska egenskaper och den kliniska betydelsen av SMA-komplexet

Den makro-anatomiska gränslinjen mellan pre-SMA och SMA-korrekta är accepterad som en vertikal imaginär linje som passerar genom nivån av den främre kommissionen 18 , 39 . Dessutom har före SMA och SMA olika skillnader vad gäller deras funktioner. Även om SMA-enheten har somatotopiska uppgifter har pre-SMA en somatosensorisk organisation 19 . I grund och botten är det SMA som ansvarar för thE aktivering, kontroll och generation av rörelse, medan före SMA ansvarar för kognitiva och icke-motoriska uppgifter 8 .

Patienter med lesioner av pre-SMA närvarande med olika grad av talangemang, allt från total oförmåga att initiera tal ( dvs mutism) till mild förändrad flythet 52 . Som förutspås av neurokirurgisk elektrisk stimuleringsdata ger resektion eller skada på SMA-komplexet negativt motorrespons i motor- och talfunktioner och resulterar så småningom i SMA-syndrom. SMA syndrom är ett komplext neurokirurgiskt syndrom av initiering som sträcker sig från en total förlust av motor- och talproduktion, såsom aketisk mutism, för att minska spontana rörelser och tal 18 , 53 . Därför spelar de subkortiska fibervägarna i SMA-komplexet en viktig roll vid kirurgisk planering.

Fiberbanorna i SMA-komplexet

I denna studie studerade vi alla anslutningar av SMA-komplexet, såsom FAT, FST, korta associeringsfibrer, SLF I, callosalfibrer, cingulumfibrer och klaustrokortiska fibrer med användning av kadaverfiberdissektion och DTI-tekniker som definierades i litteraturen i Senaste åren 8 , 13 , 18 . Vi visade och stödde våra fiberdissektionsresultat via DTI. Det är emellertid svårt att separera vissa projiceringsvägar av vit materia, såsom FST och corticospinalkanalen (CST) från andra koronautstrålande fiberbuntar via anatomisk dissektion. Därför kunde vi visa de topografiska anatomin hos dessa två fiberknippar mer effektivt via DTI. Dessutom är möjligheten att studera in vitro och att visa djupa fiberbuntar i detalj de andra fördelarna med DTI-studien.

SLF I är en lång association fiber som förbinder precuneus (överlägsen parietal lobe) till SMA komplex och cingulate cortex. SLF I har funktioner som hänför sig till både det limbiska systemet, genom att ansluta med den främre cingulära cortexen och motorsystemet, genom att ansluta till överlägsen parietalloben 13 , 18 , 36 , 54 .

De bakre delarna av överlägsen och underlägsen frontal gyrus sammanfogar ett direktsystem som består av FAT, som nyligen definierades med användning av DTI-tekniker 2 och sedan med fiberdissektionsteknik 18 . Projektionen av denna väg är i före SMA och SMA som är korrekt i överlägsen frontal gyrus och pars opercularis i den underlägsna frontal gyrus 18 . Ford et al. Demonstrerade strukturell anslutning mellan SMA ochBroca Center för första gången, stödja SMA: s funktionella roll som en talbehandlingscortex 55 . Förutom SLF I är FAT en direkt väg som förbinder pars opercularis med anterior cingulate och pre-SMA, vilket indikeras av resultaten i denna studie. Catani et al. Definierade FAT genom DTI och rapporterade att cortical atrofi hos FAT-anslutningszonerna på SMA-komplexet (före SMA och främre delen av SMA-skiktet) och det främre cingulatet hos patienter med primär progressiv aphasi kan resultera i verbala flytförhållanden 46 . Tidigare studier har visat att FAT också kan vara associerat med talinitiationssvårigheter och dysfunktioner i talfluiden 22 .

FST består av projiceringsfibrer som förbinder pre-SMA och striatum ( dvs caudate-kärnan och putamen). I tidigare studier har FST-terminalerna i basal gaNglia var inte mycket tydlig. Det visades emellertid också i de senaste omfattande DTI-studierna att FST härstammar från pre-SMA och slutar i den inre kapseln och i lateralytan av putamen 20 , 21 , 22 . Utöver detta har det i en annan DTI-studie visat sig att FST-terminalen slutar både i sidled och medialytorna på putamen 18 . Funktionellt, Duffau et al. Demonstrerade anartria och / eller upphörande av rörelse under intraoperativ direkt elektrisk stimulering av putamen, vars mekanism sannolikt är genom FST 21- sänktanslutningarna.

Kortikospinalkanalen förbinder SMAs korrekta och primära motorcortex i ryggmärgen, men före SMA har inga fibrer i kortikospinalvägen 24 . I en elektrostimuleringsstudie av Duffao > Et al. , Observerades en arrestering av rörelse genom att stimulera SMA-regionen i den kontralaterala övre extremiteten. Man trodde att detta kan uppstå på grund av SMA: s anslutning till ryggmärgen av kortikospinalvägen och kontralaterala SMA genom callosalfibrer 18 , 56 .

De klaustrokortiska fibrerna ansluter mellan klaustrummet i centrala kärnan och en bred region mellan framkanten av före SMA och den bakre delen av parietalloben 13 . Funktionellt tros de claustrocortical fibrerna spela en roll i medvetandet och att samordna information som kommer från den visuella kortikala regionen, det limbiska systemet och somatosensoriska och motorcorticerna 27 . Därför trodde claustrocortical fiberbuntar mellan SMA-komplexet och claustrum att kunna spela en roll i utförandet av högre motor- och talkontroll> 18.

Även om det i tidigare studier har konstaterats att anslutningen av SMA-komplex med cingular gyrus är via korta associeringsfibrer, i en nyligen anatomisk studie visade sig att dessa anslutningar tillhandahålls direkt av cingulära fibrer 18 . Funktionellt hävdades att denna väg har en roll i motorbearbetningen av negativ känslomässig stimulering mellan SMA och den limbiska cortexen 18 .

Under senare år avslöjades den kliniska betydelsen av SMA-komplexet ( t.ex. SMA-syndrom och negativt motorrespons) genom ett ökande antal elektrostimuleringsstudier. Därför lyfts betydelsen av topografisk anatomi och subkortiska kopplingar av SMA gradvis fram. Det är kritiskt att få en bättre förståelse av topografisk anatomi, särskilt genom 3D-anatomiska studier, och att använda kliniska egenskaper hos dessa anslutningar för att planera kirurgi.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna förklarar inga konkurrerande ekonomiska intressen och inga finansieringskällor och stöd, inklusive utrustning och mediciner.

Acknowledgments

Uppgifterna lämnades delvis av Human Connectome Project, WU-Minn Consortium (Huvudforskare: David Van Essen och Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), finansierad av de 16 NIH-instituten och -centra som stöder NIH Blueprint for Neuroscience Research; Och av McDonnell Center for Systems Neuroscience vid Washington University. Figurerna 2A och 2D reproducerades med tillstånd från Rhoton-samlingen 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Nieuwenhuys, R., Voogd, J., Huijzen, C. V. The Human Central Nervous System. , 4th edi, 620-649 (2008).
  2. Catani, M., Acqua, F., Vergani, F., Malik, F., Hodge, H. Short frontal lobe connections of the human brain. Cortex. 48, 273-291 (2012).
  3. Duffau, H., Capelle, L. Preferential brain locations of low-grade gliomas. Cancer. 100 (12), 2622-2626 (2004).
  4. Yasargil, M. G., Türe, U., Yasargil, D. C. Impact of temporal lobe surgery. J Neurosurg. 101 (05), 725-738 (2004).
  5. Türe, U., Yasargil, M. G., Friedman, A. H., Al-Mefty, O. Fiber dissection technique: lateral aspect of the brain. Neurosurgery. 47 (2), 417-427 (2000).
  6. Burger, P. C., Heinz, E. R., Shibata, T., Kleihues, P. Topographic anatomy and CT correlations in the untreated glioblastoma multiforme. J Neurosurg. 68 (5), 698-704 (1998).
  7. New concepts in surgery of WHO grade II gliomas: Functional brain mapping, connectionism and plasticity-a review. J Neurooncol. 79 (1), 77-79 (2006).
  8. White matter connections of the supplementary motor area in humans. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 85 (12), 1377-1385 (2014).
  9. Luppino, G., Matelli, M., Camarda, R., Rizzolatti, G. Corticocortical connections of area F3(SMA-proper) and area F6(pre-SMA)in the macaque monkey. J. Comp.Neurol. 338, 114-140 (1993).
  10. Akkal, D., Dum, R. P., Strick, P. L. Supplementary motor area and presupplementary motor area: targets of basal ganglia and cerebellar output. J. Neurosci. 27, 10659-10673 (2007).
  11. Behrens, T. E. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat. Neurosci. 6, 750-757 (2003).
  12. Potgieser, A. R. E., de Jong, B. M., Wagemakers, M., Hoving, E. W., Groen, R. J. M. Insights from the supplementary motor area syndrome in balancing movement initiation and inhibition. Frontiers in Human Neuroscience. 28 (8), 960 (2014).
  13. Yagmurlu, K., Vlasak, A. L., Rhoton Jr, A. L. Three-Dimensional Topographic Fiber Tract Anatomy of the Cerebrum. Neurosurgery. 2, epub 274-305 (2015).
  14. Fernández-Miranda, J. C., Rhoton Jr,, L, A., Álvarez-Linera, J., Kakizawa, Y., Choi, C., de Oliveira, E. P. Three-dimensional microsurgical and tractographic anatomy of the white matter of the human brain. Neurosurgery. 62 (6 Suppl 3), 989-1026 (2008).
  15. Couzin, J. Crossing a frontier: Research on the dead. Science. 299 (5603), 29-30 (2003).
  16. University of Minnesota. Research Ethics. , Available from: https://www.ahc.umn.edu/img/assets/26104/Research Ethics/pdf (2016).
  17. Ludwig, E., Klingler, J. Der innere Bau des Gehirns dargestellt auf Grund makroskopischer Präparate. The inner structure of the brain demonstrated on the basis of macroscopical preparations. Atlas cerebri humani. , 1-36 (1956).
  18. Bozkurt, B. The Microsurgical and Tractographic Anatomy of the Supplementary Motor Area Complex in Human. J World Neurosurg. 95, 99-107 (1956).
  19. Lehericy, S. 3-D diffusion tensor axonal tracking shows distinct SMA and pre-SMA projections to the human striatum. Cereb Cortex. 14, 1302-1309 (2004).
  20. Duffau, H. Intraoperative mapping of the cortical areas involved in multiplication and subtraction: an electrostimulation study in a patient with a left parietal glioma. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 73 (6), 733-738 (2002).
  21. Kinoshita, M. Role of fronto-striatal tract and frontal aslant tract in movement and speech: an axonal mapping study. Brain Struct Funct. 220 (6), 3399-3412 (2015).
  22. Shimizu, S. Anatomic dissection and classic three-dimensional documentation: a unit of education for neurosurgical anatomy revisited. Neurosurgery. 58 (5), E1000 (2006).
  23. Connectome Database. , Available from: https://db.humanconnectome.org (2016).
  24. Moeller, S. Multiband multislice GE-EPI at 7 tesla, with 16-fold acceleration using partial parallel imaging with application to high spatial and temporal whole-brain fMRI. Magn Reson Med. 63 (5), 1144-1153 (2010).
  25. Feinberg, D. A. Multiplexed Echo Planar Imaging for sub-second whole brain fMRI and fast diffusion imaging. PLoS One. 5, e15710 (2010).
  26. Setsompop, K. Blipped-controlled aliasing in parallel imaging for simultaneous multislice echo planar imaging with reduced g-factor penalty. Magn Reson Med. 67 (5), 1210-1224 (2012).
  27. Xu, J. Highly accelerated whole brain imaging using aligned-blipped-controlled-aliasing multiband EPI. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2306 (2012).
  28. Glasser, M. F. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. Neuroimage. 80, 105-124 (2013).
  29. Free Surfer Software Suite. Harvard University. , Available from: http://surfer.nmr.mgh.harvard.edu (2016).
  30. FSL. Software Library. , Available from: http://fsl.fmrib.ox.ac.uk (2016).
  31. Jenkinson, M., Bannister, P. R., Brady, J. M., Smith, S. M. Improved optimization for the robust and accurate linear registration and motion correction of brain images. NeuroImage. 17 (2), 825-841 (2002).
  32. Andersson, J. L., Skare, S., Ashburner, J. How to correct susceptibility distortions in spin-echo echo-planar images: application to diffusion tensor imaging. NeuroImage. 20 (2), 870-888 (2003).
  33. Andersson, J., Xu, J., Yacoub, E., Auerbach, E., Moeller, S., Ugurbil, K. A comprehensive Gaussian process framework for correcting distortions and movements in diffusion images. In Proceedings of the 20th Annual Meeting of ISMRM. 20, 2426 (2012).
  34. DSI Sudio. , Available from: http://dsi-studio.labsolver.org (2016).
  35. Yeh, F. C., Wedeen, V. J., Tseng, W. Y. Generalized q-sampling imaging. IEEE Trans Med Imaging. 29 (9), 1626-1635 (2010).
  36. Makris, N. Segmentation of subcomponents within the superior longitudinal fascicle in humans: a quantitative, in vivo DT-MRI study. Cereb Cortex. 15 (6), 854-869 (2005).
  37. Fernández-Miranda, J. C., Rhoton, A. L. Jr, Kakizawa, Y., Choi, C., Alvarez-Linera, J. The claustrum and its projection system in the human brain: a microsurgical and tractographic anatomical study. J Neurosurg. 108 (4), 764-774 (2008).
  38. Maier, M. A., Armand, J., Kirkwood, P. A., Yang, H. W., Davis, J. N., Lemon, R. N. Differences in the corticospinal projection from primary motor cortex and supplementary motor area to macaque upper limb motoneurons:an anatomical and electrophysiological study. Cereb. Cortex. 12, 281-296 (2002).
  39. Picard, N., Strick, P. L. Imaging the premotor areas. Curr. Opin. Neurobiol. 11, 663-672 (2001).
  40. Pakkenberg, B., Gundersen, H. J. G. Neocortical neuron number in humans: effect of sex and age. Journal of Comparative Neurology. 384 (2), 312-320 (1997).
  41. Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 237-294 (1965).
  42. Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 585-644 (1965).
  43. Goldman-Rakic, P. S. Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex. Annu Rev Neurosci. 11 (1), 137-156 (1988).
  44. Mesulam, M. M. From sensation to cognition. Brain. 121 (6), 1013-1052 (1998).
  45. Mesulam, M. Large-scale neurocognitive networks and distributed processing for attention, language, and memory. Ann Neurol. 28 (5), 597-613 (1990).
  46. Schmahmann, J. D., Pandya, D. N. Fiber pathways of the brain. 8, Oxford University Press. Oxford. 393-409 (2006).
  47. Bammer, R., Acar, B., Moseley, M. E. In vivo MR tractography using diffusion imaging. Eur J Radiol. 45 (3), 223-234 (2003).
  48. Catani, M., Howard, R. J., Pajevic, S., Jones, D. K. Virtual in vivo interactive dissection of white matter fasciculi in the human brain. Neuroimage. 17 (1), 77-94 (2002).
  49. Lin, C. P., Wedeen, V. J., Chen, J. H., Yao, C., Tseng, W. Y. I. Validation of diffusion spectrum magnetic resonance imaging with manganese-enhanced rat optic tracts and ex vivo phantoms. Neuroimage. 19 (3), 482-495 (2003).
  50. Bello, L., Acerbi, F., Giussani, C., Baratta, P., Taccone, P., Songa, V. Intraoperative language localization in multilingual patients with gliomas. Neurosurgery. 59 (1), 115-125 (2006).
  51. Bernstein, M. Subcortical stimulation mapping. J Neurosurg. 100 (3), 365 (2004).
  52. Ackermann, H., Riecker, A. The contribution(s) of the insula to speech production: a review of the clinical and functional imaging literature. Brain Struct Funct. 214, 419-433 (2010).
  53. Krainik, A. Role of the healthy hemisphere in recovery after resection of the supplementary motor area. Neurology. 62, 1323-1332 (2004).
  54. Ford, A., McGregor, K. M., Case, K., Crosson, B., White, K. D. Structural connectivity of Broca's area and medial frontal cortex. Neuroimage. 52, 1230-1237 (2010).
  55. Catani, M., Mesulam, M. M., Jakobsen, E., Malik, F., Martersteck, A., Wieneke, C., Thompson, C. K., Thiebaut de Schotten, M., Dell'Acqua, F., Weintraub, S., Rogalski, E. A novel frontal pathway underlies verbal fluency in primary progressive aphasia. Brain. 136, 2619-2628 (2013).
  56. Rech, F., Herbet, G., Moritz-Gasser, S., Duffau, H. Disruption of bimanual movement by unilateral subcortical electrostimulation. Human Brain Mapping Annual Meeting. 35 (7), 3439-3445 (2014).
  57. The Rhoton Collection. Login page. , Available from: http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899 (2016).

Tags

Neurovetenskap utgåva 123 kompletterande motorområde fiberdissektion diffusion tensor-traktografi tredimensionell dokumentation vita materievägar associeringsfibrer kommissionsfibrer projektionsfibrer
Fiberanslutningar av det kompletterande motorområdet som reviderats: Metod för fiberdissektion, DTI och tredimensionell dokumentation
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Bozkurt, B., Yagmurlu, K.,… More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter