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Neuroscience

Faserverbindungen des Ergänzungsmotorenbereichs Revisited: Methodik der Faserdissektion, DTI und Dreidimensionale 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

Der Zweck dieser Studie ist es, jeden Schritt der Faserdissektionstechnik auf menschlichen kadaverischen Gehirnen, die 3D-Dokumentation dieser Sektionen und die Diffusions-Tensor-Bildgebung der anatomisch sezierten Faserwege zu zeigen.

Abstract

Der Zweck dieser Studie ist es, die Methodik für die Untersuchung der weißen Materie Verbindungen des ergänzenden motor Bereich (SMA) -Komplex (vor-SMA und SMA richtig) mit einer Kombination von Faser-Dissektion Techniken auf kadaverischen Proben und Magnetresonanz (MR ) Traktographie Das Protokoll beschreibt auch das Verfahren für eine weiße Materie Dissektion eines menschlichen Gehirns, Diffusion Tensor Traktographie Bildgebung und dreidimensionale Dokumentation. Die Faserdissektionen auf menschlichen Gehirnen und die 3D-Dokumentation wurden an der Universität von Minnesota, Mikrochirurgie und Neuroanatomy Laboratory, Abteilung für Neurochirurgie durchgeführt. Fünf postmorme menschliche Gehirnproben und zwei ganze Köpfe wurden nach Klinglers Methode hergestellt. Gehirn-Hemisphären wurden Schritt für Schritt von lateral nach medial und medial nach lateral unter einem Operationsmikroskop seziert und 3D-Bilder wurden in jeder Phase erfasst. Alle Dissektionsergebnisse wurden durch Diffusionstensor unterstütztBildgebung Untersuchungen über die Verbindungen im Einklang mit der Fasertrakt-Klassifikation von Meynert, einschließlich Assoziationsfasern (kurzer, überlegener Längsfasciculus I und frontaler Asphaltstraßen), Projektionsfasern (kortikospinales, klaustrokortikales, Cingulum und frontostriatale Traktate) und Kommissurfasern (Kallusalfasern) Auch durchgeführt.

Introduction

Unter den 14 von Brodmann abgegrenzten Vorstufengebieten ist das vorläufige und präfrontale Gebiet, das vor der präzisen motorischen Kortex liegt, längst als stummes Modul betrachtet worden, obwohl der Stirnlappen eine wichtige Rolle bei Kognition, Verhalten, Lernen, Und Sprachverarbeitung. Neben dem komplementären Motorbereich (SMA) -Komplex, bestehend aus dem vor-SMA und dem SMA-Areal (Brodmann Area; BA 6), das sich medial erstreckt, umfasst das vormotorische / frontale Modul die dorsolaterale Vorfront (BA 46, 8, Und 9), frontopolare (BA 10) und ventrolaterale präfrontale (BA 47) -Kortizes sowie ein Teil des orbitofrontalen Kortex (BA 11) auf der lateralen Oberfläche des Gehirns 1 , 2 .

Der SMA-Komplex ist ein bedeutender anatomischer Bereich, der durch seine Funktionen und seine Verbindungen definiert ist. Die Resektion und die Schädigung dieser Region verursacht erhebliche klinische Defizite, die als SMA bekannt sindSyndrom. Das SMA-Syndrom ist ein wichtiger klinischer Zustand, der besonders bei frontalen Gliomfällen, die den SMA-Komplex enthalten, beobachtet wird. Der SMA-Komplex hat Verbindungen mit dem limbischen System, Basalganglien, Kleinhirn, Thalamus, kontralateralen SMA, überlegenem Parietallappen und Teilen der Frontallappen über Faserbahnen. Die klinische Wirkung der Schädigung dieser weißen Substanzverbindungen kann stärker sein als der Kortex. Dies liegt daran, dass die Folgen einer Verletzung der Kortex im Laufe der Zeit aufgrund der hohen kortikalen Plastizität 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , Daher sollten die SMA-Regionalanatomie und die weißen Materiewege deepl seinVerstanden, insbesondere für die Gliomchirurgie.

Ein umfassendes Verständnis der Anatomie der weißen Materiewege ist für die breitbandige Behandlung von neurochirurgischen Läsionen wichtig. Jüngste Studien über die dreidimensionale Dokumentation der anatomischen Ergebnisse, die in der Mikrochirurgie erhalten wurden, wurden verwendet, um ein besseres Verständnis der topographischen Anatomie und der Wechselbeziehung der Gehirn-Weiß-Materie Wege 13 , 14 zu gewinnen. Daher war der Zweck dieser Studie, die weißen Substanzverbindungen des SMA-Komplexes (vor SMA und SMA richtig) unter Verwendung einer Kombination von Faserdissektionstechniken auf kadaverischen Proben und Magnetresonanztomographie (MRT) -Traktographie zu untersuchen und alle Methoden zu erläutern Und Prinzipien der beiden Techniken und ihre ausführliche Dokumentation.

Planung und Strategie der Studie

Vor der Durchführung der Experimente, ein LiterAture-Suche nach den Grundprinzipien der Faserdissektionen, die Verfahren, die auf Proben vor und während der Sektionen angewendet werden müssen, und alle Verbindungen zwischen SMA-Regionen, die mit Dissektion und DTI aufgedeckt wurden, wurden durchgeführt. Die bisherigen Studien zur anatomischen Lokalisation und Trennung von Prä-SMA- und SMA-richtigen Regionen und zur topographischen Anatomie ihrer Verbindungen wurden überprüft.

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Protocol

Die Verstorbenen sind hier als Bevölkerung eingeschlossen, obwohl verstorbene Personen keine technisch menschlichen Subjekte sind; Menschliche Subjekte sind definiert durch 45 CF 46 als "lebende Menschen 15 , 16 ".

1. Vorbereitung der Proben

  1. Untersuche 5 formalin-fixierte Gehirne (10 Hemisphären) und 2 ganze menschliche Köpfe.
  2. Fixieren Sie die Proben in einer 10% igen Formalinlösung für mindestens 2 Monate nach Klinglers Methode 17 .
  3. Gefrieren Sie alle Exemplare bei -16 ° C für 2 Wochen nach Klingers Methode 17 .
  4. Die Proben unter Leitungswasser auftauen
  5. Führen Sie eine erweiterte frontotemporale Kraniotomie auf dem kadaverischen Kopf, um das Gehirn zu entlarven.
    1. Legen Sie den Kadaverkopf in eine 3-polige Schädelklemme (Materialtabelle).
    2. Machen Sie einen frontotemporalen Hautschnitt mit einem Skalpell.
    3. Entfernen Sie die Haut und Muskeln mit einem Skalpell, Pinzette und Schere.
    4. Machen Sie ein oder mehrere Gratlöcher im Schädel, bis die Dura mater erreicht ist; Benutzen Sie einen Bohrer mit einem kompakten Geschwindigkeitsreduzierer und einem 14 mm Schädel-Perforator-Aufsatz bei 79.000 U / min (Materialtabelle).
    5. Schneiden Sie die Knochenklappe und öffnen Sie den Schädel mit einem 2 mm x 15,6 mm geriffelten Fräser mit einem 2,1 mm stiftförmigen Grataufsatz bei einer Bohrgeschwindigkeit von 80.000 U / min (Materialtabelle).
  6. Entfernen Sie die Dura, Arachnoidei und Pia mater und zerlegen Sie mit einem Mikrodissektor unter einem Mikroskop bei 6X bis 40X Vergrößerung 5 , 18 (Materialtabelle).

2. Faser-Dissektionstechnik

HINWEIS: Führen Sie alle Sektionen unter 6X bis 40X Vergrößerung auf einem chirurgischen Mikroskop.

  1. Führen Sie die Faserdissektionen schrittweise auf jede Hemisphäre ausVon lateral bis medial und medial bis lateral.
    1. Decorticate die Hirnrinde unter Verwendung eines Panfield-Dissektors (Materialtabelle) und entfernen Sie alle frontalen kortikalen Gewebe, um die kurzen Assoziationsfaser-Traktate, die U-Fasern oder Intergyralfasern, die benachbarten Gyri 5 , 13 verbinden, freizulegen.
    2. Entfernen Sie die kurzen Assoziationsfasern mit einem Panfield-Dissektor und einem chirurgischen Mikrohaken, indem Sie sanft unter dem Mikroskop (Materialtabelle) schneiden, um die langen Assoziationsfasern zu erreichen und zu entlarven, die entfernte Bereiche in derselben Halbkugel miteinander verbinden.
    3. Gehen Sie tief in die langen Assoziationsfasern, um die oberflächlichen Assoziationsfasern mit einem chirurgischen Mikrohaken und einem Panfield-Dissektor zu entfernen; Entfernen Sie jedes Faserbündel unter einem Mikroskop (Materialtabelle), um die Projektionskommissuralfasern freizulegen.
    4. Zeigen Sie jede der Verbindungen des SMA-Komplexes anNach der topographischen Anatomie, die zuvor in der Literatur 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 definiert wurde.
  2. Halten Sie alle Exemplare (ganze Köpfe und Gehirne), die während der Sektionen in 10% Formaldehydlösung (Materialtabelle) zwischen den Dissektionsperioden verwendet wurden.

3. 3D-Fotografie-Technik

  1. Verwenden Sie eine schwarze Farbe Plattform während der Fotografie der Proben.
  2. Folge einer 3D-Fotografie Technik 22 .
    1. Legen Sie jedes Exemplar in eine gestaltete schwarze Farbplattform.
    2. Wählen Sie eine Szene mit einer Voll-Frontalansicht des Exemplars aus und nehmen Sie einen Schuss, indem Sie die Kamera auf einen beliebigen Punkt auf der Probe in der Nähe des Mittelpunkts auf dem Kamerabildschirm (Instrumentenregisterkarte) fokussierenLe). Verwenden Sie ein 18- bis 55-mm-f / 3.5-5.6 SLR-Objektiv oder ein 100 mm f / 2.8L Makroobjektiv und stellen Sie die Blende auf F29, ISO 100.
    3. Drehen Sie die Kamera etwas nach links, bis der am weitesten rechts liegende Punkt auf dem Kamerabild der gleiche wie der Fokussierungspunkt ist. Schieben Sie die Kamera nach rechts, bis der Mittelpunkt auf dem Bildschirm den ursprünglichen Fokussierungspunkt auf der Probe überlappt. Konzentriere die Kamera auf diesen Punkt und nehme einen weiteren Schuss.
    4. Halten Sie den Abstand und die Achse der Kamera auf die Probe, die mit konstanten Werten fotografiert wird.
  3. Erstellen Sie ein 3D-Bild mit einem 3D-Bildgeneratorprogramm (Materialtabelle).
    1. Öffnen Sie das 3D-Softwareprogramm.
    2. Wählen Sie "Stereo-Bilder aus Datei öffnen".
    3. Wählen Sie die beiden Bilder (links und rechts) und stellen Sie sicher, dass das linke Bild im linken Steckplatz ist und das rechte Bild im rechten Steckplatz ist.
    4. Wähle die Option "Half Color Anaglyph RL / 2" und generiere die Anaglyph im JPEG-Format.

    4. DTI-Technik

    1. Erfassen Sie vorverarbeitete Diffusionsdaten unter Verwendung der Human Connectome Project Diffusionsdaten 23, indem Sie sie von der referenzierten Website herunterladen.
      HINWEIS: Die Daten werden vorverarbeitet und bestehen aus den folgenden Prozeduren: Die Diffusionsdaten wurden bei normalen Freiwilligen unter Verwendung eines modifizierten 3 T-MRI-Geräts (Instrumententisch) unter Verwendung einer Spin-Echo-Echo-Planar-Imaging- (EPI-) Sequenz mit Multi- Bandbildbeschleunigung 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Relevante Sequenzparameter umfassen: TR = 5,520 ms; TE = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matrix = 168 x 144; Schichtdicke = 1,25 mm (Voxelgröße 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Multibandfaktor = 3; Und b-Werte = 1.000 s / mm 2 (95 Richtungen), 2.000 s / mm 2 (96 Richtungen) und 3.000 s / mm2 (97 Richtungen). Die Daten wurden dann unter Verwendung von FreeSurfer 29 und FSL 30 verarbeitet; Der Prozess beinhaltete die Wirbelstromkorrektur, die Bewegungskorrektur, die B0-Intensitätsnormalisierung, die Empfindlichkeitsverzerrungskorrektur und die Gradienten-Nichtlinearitätskorrektur 28 , 31 , 32 , 33 . Entsprechende T1-gewichtete MP-RAGE-Bilder sind ebenfalls im Download-Paket enthalten. Die Vorgehensweisen sind im Handbuch des Human Connectome Projektes dokumentiert.
    2. Veröffentlichen Sie die Diffusionsdaten mit dem Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 , um eine geschätzte voxelweise Diffusionsorientierungsverteilungsfunktion (ODF) zu erzeugen, die einen verallgemeinerten q-Sampling Imaging (GQI) Algorithmus 35 verwendet.
      1. Laden Sie den heruntergeladenen Datensatz in die Software von sel"STEP1: Open Source Bilder" und wählt die Datei data.nii.gz aus.
      2. Wählen Sie die Schaltfläche "STEP2: Rekonstruktion". Nach der Überprüfung der Gehirnmaske fahren Sie mit "Schritt 2" fort und wählen "GQI" als Rekonstruktionsmethode. Wählen Sie "r ^ 2 Gewichtung" mit einem "Längenverhältnis" von "1.0". Lassen Sie die restlichen Selektionen als Standard.
      3. Wählen Sie "Rekonstruktion ausführen".
    3. Platzieren Sie geeignete Samen für Regionen von Interesse, um die Faserverfolgung zu rationalisieren.
      1. Im "Region-Fenster" klicken Sie auf die "Atlas" -Taste, um Samen für den überlegenen Längsfasciculus (SLF) zu setzen. "Wählen Sie" Brodmann "und fügen Sie" Region 6 "und" Region 7. "hinzu. Stellen Sie im Bereichsfenster den Typ "Region 6" auf "Seed" und den "Region 7" -Typ auf "region-of-inclusions" (ROI).
        1. Wählen Sie im Bereichsfenster "Neue Region" und manuell einen ROIIm hintersten Aspekt des überlegenen frontalen Gyrus in der koronalen Ebene. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      2. Setzen Sie Samen für SLF II in ähnlicher Weise, indem Sie "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung der "Samen" Region in den hinteren Aspekt der mittleren frontalen Gyrus weißen Materie in der koronalen Ebene. Wählen Sie einen ROI mit "Atlas" (wie in Schritt 4.3.1) und Brodmann-Regionen 9, 10, 46, 39 und 19. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      3. Setzen Sie Samen für SLF III mit einer "Samen" Region, mit "Atlas" (wie in Schritt 4.3.1) in der Region Fenster und wählen Sie "Region 40" des Brodmann Atlas und der ROI aus "Atlas ..." in "Region 40 "Und" Region 44. " Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      4. Setzen Sie Samen für Callosal Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung ein "Samen" in der Sagittal-Ebene, die thE corpus callosum Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      5. Setzen Sie Samen für Cingulate Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung einer "Samen" Region in der Mitte-cingulären Gyrus auf die koronale Ansicht. Benutze "New Region", um zwei ROIs zu zeichnen, eine im vorderen Cingulat und eine im hinteren cingulären Gyrus unter koronaler Sicht. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      6. Setzen Sie Samen für klaustrokortikale Fasern mit "New Region" in der Region Fenster und Zeichnung ein "Samen" in der claustrum mit einem ROI in der corona radiata mit der "Atlas ..." -Funktion. Wähle den Atlas als "JHU-WhiteMatter-Etiketten-1mm".
        1. Wählen Sie und fügen Sie die "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" und "Superior_corona_radiata" hinzu. Zeichnen Sie eine Region der Vermeidung für alle Fasern, die durch eine Ebene unterhalb der Ebene des claustrum in der axialen Ebene mit "New Region"Im Bereichsfenster. Führen Sie die Faserverfolgung durch, wie in Schritt 4.4 beschrieben.
      7. Setzen Sie Samen für den Kortikospinaltrakt mit einem "Samen" aus der "Atlas ..." -Funktion in der Region Fenster; Wählen Sie "JHU-WhiteMatter-Etiketten-1mm" und fügen Sie die Region "Corticospinal_tract" hinzu. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      8. Setzen Sie Samen für den frontalen Asphalt (FAT) mit einer "Samen" Region aus der "Atlas ..." -Funktion in der Region Fenster und wählen Sie die Brodmann-Atlas und "Region 6" ROIs in "Region 44" und "Region 45. " Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 beschrieben durch.
      9. Setzen Sie Samen für den Frontostriattrakt (FST) mit einem "Samen" in "Region 6" mit der Funktion "Atlas ...". Setzen Sie neue Regionen in die "Caudate", "putamen" und "Globus pallidus" aus dem "HarvardOxfordSub" Atlas und legen Sie den Typ in der Region Fenster zu "Ende."
        HINWEIS: Die Faserverfolgung für FST erfolgt durch Auswahl des Sektors der Region 6 und nur eines der subkortikalen Samen pro Tracking-Sitzung ( dh Region 6 und der Caudat, gefolgt von Region 6 und Putamen und zuletzt Region 6 und Globus) Pallidus).
        1. Führen Sie die Faserverfolgung wie in Schritt 4.4 für jede Kombination beschrieben durch.
    4. Führen Sie die Faserverfolgung für jede der oben genannten Kombinationen durch.
      1. Im Fenster "Optionen" legen Sie die Verfolgungsparameter als: Terminationsindex von qa von 0,08, Winkelschwelle von 75, Schrittweite von 0,675, Glättung von 0,2, Mindestlänge von 20 mm und einer maximalen Länge von 200 mm fest. Wähle die Seed-Orientierung als "All", die Samenposition als "Subvoxel" und randomisierte Seeding als "On". Verwenden Sie die trilineare Richtungsinterpolation mit einem Streamline (Euler) Tracking Algorithmus. Für jede Kombination von Regionen oben, wählen Sie "Run tracking" in der & #34; Fiber Tracts "Fenster.
        ANMERKUNG: Aufgrund der randomisierten Art der Verfolgung werden klare "falsche Fasern" identifiziert und selektiv entfernt, wobei die Regionen der Vermeidung von Hand als "Neue Region" gezeichnet werden.
    5. Affine registriert den in den Human-Connectome-Projektdatensatz enthaltenen gehirn-extrahierten T1-gewichteten 3D-MP-RAGE-Scan mit den Funktionen "Slices -> Insert T1 / T2 Images" von DSI-Studio. Erzeugen Sie eine Oberflächenwiedergabe des Gehirns, indem Sie "Slices -> Isosurface hinzufügen" auswählen. Verwenden Sie eine "Schwelle" von 665.

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Representative Results

Der SMA-Komplex befindet sich im hinteren Teil des oberen frontalen Gyrus. Die Grenzen des SMA-Komplexes sind der vorläufige Sulcus nach hinten, der obere frontale Sulcus inferior-lateral und der cinguläre Sulcus minderwertig-medial 18 . Der SMA-Komplex besteht aus zwei Teilen: die Vor-SMA anteriorly und die SMA gleich nach hinten 18 . Es gibt Unterschiede in Bezug auf die weißen Stoffverbindungen und die Funktion zwischen diesen beiden Teilen 18 ( Fig. 1A und B ). Wir untersuchten kortikale und subkortikale Verbindungen dieser beiden Teile mit Faserdissektion und DTI-Techniken und zeigten sie in 3D-Bildern.

Verbandfasern des SMA-Komplexes

Das Entfernen der Kortikalis des Stirnlappens zeigte die kurzen Verbundfasern, tEr so genannte U-Fasern, die den benachbarten Gyri 18 verbinden (Abbildung 1C ). Die kurzen Assoziationsfasern des SMA-Komplexes bilden Verbindungen zwischen dem SMA-Komplex und dem motorischen Kortex nach hinten und zwischen dem SMA-Komplex und dem vor-frontalen Kortex nach vorne 18 (Abbildung 2B ). Sie bieten auch Verbindungen zwischen der Pre-SMA und der SMA im SMA-Komplex. Die oberflächlichsten Langverbindungsfasern sind der obere Längsfasciculus II (SLF II) und der frontale Operationsteil des SLF III 13 , 36 (Abbildung 2A ). Wir entfernten den SLF II und SLF III gerade vor dem vorläufigen Sulcus, um den frontalen Asphalt (FAT), der den oberen frontalen Gyrus und den unteren frontalen Gyrus miteinander verbindet, auszusetzen (Abbildung 2B ). Die FAT sind oberflächliche Assoziationsfasern, die aus dem Pre-SMA und dem Pars operierenCularis

Während der FAT-Sektion ist es entscheidend, die FAT anatomisch von Corona-Radiata-Fasern zu unterscheiden, die parallel in der vertikalen Ebene verlaufen. Wie die Literatur zeigt, reichen FAT-Fasern schräg von der SMA-Region zum unteren frontalen Gyri und werden in pars opercularis 2 oberflächlich. Jedoch laufen andere Korona radiata und klaustrokortikale Fasern tief in die Basalganglien, ohne oberflächlich zu sein 18 (Abbildung 2C , 3C und 3D ).

Ein weiterer Assoziationsfaser-Trakt des SMA-Komplexes ist SLF I, der den überlegenen Parietallappen mit dem überlegenen Frontallappen (SMA-Komplex) und dem anterioren cingulären Kortex auf der medialen Seite der Halbkugel 18 , 36 verbindet. Die Sektion von SLF I wurde medial zu latNach der Dekortierung der medialen Oberfläche der Halbkugel ( Fig. 2A , 3A und 3B ).

Kommissurfasern des SMA-Komplexes

Der Hauptkommissurfaserweg ist die Callosalfasern, die den SMA-Komplex mit dem kontralateralen SMA-Komplex verbinden. Die Kallosalfasern werden zwischen dem Corona-Strahl, dem Cingulum und den SLF I-Fasern positioniert und kreuzen sich über das Corpus callosum zur Mittellinie, um den kontralateralen SMA-Komplex zu erreichen (Abbildung 2A , 4A und 4B ).

Projektion Fasern des SMA Komplexes

Die Projektionsfasern bestehen aus 4 verschiedenen Fasergruppen im Zusammenhang mit dem SMA-Komplex: den Cingulumfasern, den klaustrokortikalen Fasern, dem frontocitriatalen Trakt und demKortikospinaltrakt Die Cingularfasern stammen aus der medialen Oberfläche der Hemisphäre, um das Cingulum zu bilden und innerhalb des cingulären Gyrus zu laufen. Die Funktion dieser Fasern besteht darin, Verbindungen zwischen dem SMA-Komplex und dem limbischen System 18 ( Fig. 2A und 4C ) bereitzustellen.

Die Verteilung der klaustroskortikalen Fasergrenzen ist die vordere Kante der Vor-SMA-Vorderseite und der hintere Teil des Parietallappens nach hinten (Abbildung 2D und 4D ). Daher enden die aus dem claustrum stammenden Fasern in allen SMA-Komplexbereichen (vor SMA und SMA) 37 .

Der frontostriatale Trakt (FST) verbindet den SMA-Komplex und das dorsale Striatum ( dh kaudatischer Kern und Putamen) und reist zwischen dem äußeren und internen cApsules 18 (Abbildung 3C und 3D ). Es ist schwierig, die FST von anderen internen Kapselfasern ( z. B. die thalamischen Stiele, Frontopontinfasern usw.) sowie von anderen Fasern in der vertikalen Ebene ( z. B. FAT und andere Corona radiata Fasern) zu unterscheiden, wenn sie die Faserdissektionstechnik. Trotzdem haben Grande et al. Verwendet die DTI-Technik, um zu zeigen, dass die FST-Fasern, die aus dem SMA-Komplex entstehen, sowohl in der äußeren als auch in der internen Kapsel enden. Etwa 10% der kortikalen Wirbelsäulenfasern entstehen aus dem eigentlichen SMA und enden im Rückenmark, aber diese Fasern entstehen nicht aus dem Pre-SMA 38 (Abbildung 4E ).

Abbildung 1
Abbildung 1: Seitliche undMediale Oberfläche der linken Frontallappenansicht. Beschriftete 2D-Illustrationen begleiten jede 3D-Illustration auf der linken Seite. Linke Halbkugel Seitenansicht: SMA richtig (lila) und vor-SMA (grün); Der SMA-Komplex befindet sich im hinteren Teil des oberen frontalen Gyrus, direkt vor dem vorläufigen Gyrus ( A ). Linke Halbkugel mediale Ansicht. Eine imaginäre senkrechte Linie auf der Ebene der vorderen Kommissur, senkrecht zur Linie, die zwischen den vorderen und hinteren Kommissuren liegt, ist die Grenze zwischen der SMA (lila) und der Vor-SMA (grün) ( B ) 39 . Nach der Deklarationsansicht. Die Dekortikation macht kurze Assoziationsfasern, genannt "U-Fasern". U-Fasern verbinden benachbarte Gyri miteinander, wie die Pre-SMA an die SMA-Funktion und die SMA, die für den Motorkortex ( C ) geeignet ist. Klicken Sie bitte hierUm eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 2: Lateral-zu-mediale Faser-Dissektion. Beschriftete 2D-Illustrationen begleiten jede 3D-Illustration auf der linken Seite. Seitenansicht; Der SLF II erstreckt sich zwischen dem Winkelgyrus und dem mittleren frontalen Gyrus und endet am Pars opercularis und pars triangularis. Der SLF III verbindet den supramarginalen Gyrus und die Pars triangularis im frontoparietalen Operculum. Mediale Ansicht; Der SLF I verbindet den überlegenen Parietallappen mit dem vorderen cingulären Kortex und der medialen Oberfläche des oberen frontalen Gyrus, der den SMA-Komplex ( A ) einschließt. Nach dem Entfernen eines Teils von SLF II auf der koronalen Ebene wurde die FAT exponiert ( B ). FAT-Fasern reichen schräg von der SMA-Region zum unteren frontalen Gyri und werden oberflächlichIm pars opercularis Andere Corona-Radiata-Fasern laufen tief in die Basalganglien, ohne oberflächlich zu sein ( C ). Ein weiteres Exemplar, das die exponierte Grenze der klaustrokortikalen Faserverteilung auf dem kortikalen Bereich zeigt, die zwischen dem vorderen Teil des Vor-SMA und dem hinteren Teil des Parietallappens ( D ) liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 3 : DTI-Studie von SMA-Verbindungen. SLF-Fasern auf einer sagittalen Scheibe ( A ) und einer koronalen Scheibe ( B ) auf DTI gesehen. SLF I (gelb); SLF II (orange); SLF III (türkis). Beziehung von FAT (grün) und FST (blau) sagittal ( C ) und koronal ( D Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Abbildung 1
Abbildung 4 : DTI-Studie von SMA-Verbindungen. Callosal Fasern auf einer koronalen Scheibe ( A ) und eine sagittale Scheibe ( B ) auf DTI gesehen. Die Cingularfasern (rot) ( C ), die klaustrokortikalen Fasern (orange) ( D ) und der kortikospinale Trakt (lila) ( E ), wie sie bei sagittalen Scheiben auf DTI gesehen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Die Bedeutung von und Study Techniken für die White Matter Pathways

Die Hirnrinde wird als eine primäre neuronale Struktur akzeptiert, die mit 2,5 Millionen Jahren menschlichen Lebens verbunden ist. Etwa 20 Milliarden Neuronen haben sich in verschiedene Teile auf der Grundlage morphologischer und zellulärer Spezifikation getrennt. Die Architektur jedes dieser kortikalen Teile ist funktionell subgruppiert, wie sensomotorischer Sinn und Bewegung, emotionales Erlebnis und komplexe Argumentation. Es wurde festgestellt, dass alle Verhaltensweisen in Primaten durch einzigartige anatomisch funktionale Verbindungen und Regionen gebildet wurden, die topographisch über die kortikalen und subkortikalen Bereiche des neuronalen Systems verteilt sind. Obwohl die Hirnrinde im Detail erforscht worden ist, gibt es immer noch einen Mangel an Wissen über die weißen Materiewege des neuronalen Systems, die verschiedene Bereiche miteinander verbinden. Bereiche wie das centrum semiovale und corona radiata wurden sVor einer makroskopischen Ansicht Während der 1800er Jahre führten Forscher die grosse Sezierung von Affen mit Myelin-Farbstoffen und Autoradiographie-Methoden, die mit Hilfe von Aminosäuren angewendet wurden, um das weiße Materie-Fasersystem zu verstehen. Einige große Assoziationsfasern, wie das Cingulum und der uncinate Fasciculus, wurden mit diesen Studien identifiziert und benannt. Andererseits ist in der Literatur 41 , 42 , 43 , 44 , 45 die Identifizierung anderer weißer Stoffwege, wie der bogenförmige Fasciculus / der überlegene Längsfasciculus und der untere Längsfasciculus, immer noch widersprüchlich.

Ein Verständnis der Strukturen der weißen Materie ist sehr wichtig, um Details über die anatomischen Prozesse des Verhaltens auf hohem Niveau und die Struktur und Funktion des Großhirns zu liefern. EINEin tieferes Verständnis der weißen Materie ist auch für klinische Ziele kritisch. Viele Krankheiten werden durch Läsionen verursacht, die die Bewegungen der weißen Materie betreffen. Bisher gab es keine eindeutige und richtige Technik, die verwendet werden könnte, um die Faserwege zu beschreiben, trotz Verbesserungen in radiologischen Bildgebungstechniken. Die kardanische Faserdissektionstechnik, die älteste Technik, war die ideale Methode für die neuroanatomische Erziehung junger Neurochirurgen und der beste Standard unter den Traktographietechniken auf der Basis von Diffusionstorsor-Bildgebung, MR-Traktographie, Diffusionsspektrum-Traktographie und Autoradiographie. Die Faserbahnen können in vivo mit MRT visualisiert werden ; Der Nachteil dieser Technik ist jedoch die Schwierigkeit, die Beendigung und den Ursprung der Faserwege zu bestimmen. Die autoradiographische Technik kann nur bei Versuchstieren verwendet werden. Eine Kenntnis der Faser-Trakt Anatomie ist entscheidend für ein besseres Verständnis der kognitiven, psycHiatrische und motorische Manifestationen nach Erkrankungen der weißen Substanz wie Multiple Sklerose.

Plastizität existiert in grauer Substanz, aber nicht in weißer Materie; Jede perioperative Schädigung der weißen Substanz verursacht irreversible Defizite beim Patienten (Schmahmann et al. ). Dies macht die Anatomie der Faserwege bei der Neurochirurgie wertvoller 46 . Während der präoperativen chirurgischen Planung zur Entfernung von intraaxialen Läsionen sollte die Lage und Verschiebung der wichtigen Faserwege, wie der bogenförmige Fasciculus, die optische Strahlung und der Kortikospinaltrakt, für eine erfolgreiche Chirurgie in Betracht gezogen werden. Das anatomische Wissen, zusammen mit der präoperativen MR-Traktographie, liefert eine Klangbewertung und eine chirurgische Planung für jeden Patienten. Mittlerweile hilft die Durchführung der kadaverischen Faserdissektion unter dem Operationsmikroskop, die Handkompetenz des Chirurgen zu verbessern und bietet ein tieferes Verständnis der komplexen brAin Anatomie in drei Dimensionen. Um diese Gewinne zu erreichen, sollte der Chirurg Zeit in einem Mikrochirurgie-Labor verbringen. Er / sie sollte sich nur auf die Faserbahnen während der Sektion konzentrieren, anstatt was er / sie gerne sehen würde. Auf der anderen Seite haben heute Verbesserungen bei den DTI-Bildgebungsverfahren es ermöglicht, wichtige Faserwege in vivo sowohl im normalen Gehirn als auch in klinischen Situationen, in denen das Fasersystem betroffen ist, zu identifizieren. Anfänglich gab diese Methode keine Informationen über die Start- und Terminationsregionen von großen Faserbündeln und war nur in der Definition von Erweiterungen wirksam. Mit der Entwicklung der MR-Traktographie und der Diffusionsspektrum-Bildgebung (DSI) wurden jedoch wichtige Schritte unternommen, um die normale Hirnanatomie in vivo und klinischen Studien 47 , 48 , 49 zu verstehen. In den letzten Jahren wurde vorgeschlagen, dass die Kartierung der weißen MateriewegeIst sehr kritisch, um postoperative Defizite zu verhindern. Es ist auch nützlich, eine intraoperative elektrische Kartierung der weißen Substanz durchzuführen, um zu helfen, signifikante subkortikale Strukturen und ihre Funktionen zu schützen 50 , 51 . Daher ist die Anatomie der frontalen Region und der weißen Materiewege gründlich für die frontale Gliomchirurgie zu verstehen.

Anatomische Merkmale und die klinische Bedeutung von SMA Complex

Die makro-anatomische Grenzlinie zwischen der Vor-SMA und der SMA-Funktion wird als eine vertikale imaginäre Linie akzeptiert, die durch die Ebene der vorderen Kommissur 18 , 39 geht . Auch die Vor-SMA und die SMA haben unterschiedliche Unterschiede in ihrer Funktion. Obwohl die SMA richtig somatotopische Aufgaben hat, hat die Pre-SMA eine somatosensorische Organisation 19 . Grundsätzlich ist die SMA verantwortlich für thE Aktivierung, Kontrolle und Erzeugung von Bewegung, während die Pre-SMA für kognitive und nicht-motorische Aufgaben verantwortlich ist 8 .

Patienten mit Läsionen der Pre-SMA präsentieren sich mit verschiedenen Graden der Sprachbeeinträchtigung, die von einer totalen Unfähigkeit zur Einleitung von Sprache ( dh Mutismus) bis hin zu einer milden veränderten Fließfähigkeit reichen. Wie durch neurochirurgische elektrische Stimulationsdaten vorhergesagt werden, erzeugt die Resektion oder Beschädigung des SMA-Komplexes eine negative Motorreaktion in Motor- und Sprachfunktionen und führt schließlich zu einem SMA-Syndrom. SMA-Syndrom ist ein komplexes neurochirurgisches Syndrom der Einweihung, das von einem totalen Verlust der motorischen und Sprachproduktion, wie akinetischer Mutismus, zu verminderten spontanen Bewegungen und Sprache 18 , 53 reicht. Daher spielen die subkortikalen Fasertraktverbindungen des SMA-Komplexes eine wichtige Rolle bei der chirurgischen Planung.

Die Faser-Traktate des SMA-Komplexes

In dieser Studie untersuchten wir alle Verbindungen des SMA-Komplexes wie FAT, FST, kurze Assoziationsfasern, SLF I, Callosalfasern, Cingulumfasern und klaustrokortikale Fasern unter Verwendung von kadaverischen Faserdissektion und DTI-Techniken, die in der Literatur definiert wurden In den letzten Jahren 8 , 13 , 18 . Wir zeigten und unterstützten unsere Faserdissektion über DTI. Allerdings ist es schwierig, einige projizierte weiße Materie Wege, wie die FST und der Kortikospinaltrakt (CST) von anderen Corona strahlen Faserbündel über anatomische Dissektion zu trennen. Daher konnten wir die topographische Anatomie dieser beiden Faserbündel effektiver über DTI zeigen. Darüber hinaus ist die Fähigkeit, in vitro zu studieren und tiefe Faserbündel im Detail zu zeigen, die anderen Vorteile der DTI-Studie.

Die SLF I ist eine lange Assoziationsfaser, die den Precuneus (überlegener Parietallappen) mit dem SMA-Komplex verbindet und Kortex kantisiert. SLF I hat Funktionen, die sich sowohl auf das limbische System beziehen, als auch durch die Verbindung mit dem anterioren cingulären Kortex und dem motorischen System durch Verbindung mit dem überlegenen Scheitellappen 13 , 18 , 36 , 54 .

Die hinteren Teile des überlegenen und untergeordneten frontalen Gyrus verbinden sich mit einem direkten System, das aus dem FAT besteht, das mit den DTI-Techniken 2 neu definiert wurde und dann mit Faserdissektionstechniken 18 . Die Projektion dieses Weges ist in der Vor-SMA und SMA, die im oberen frontalen Gyrus und den Pars opercularis im unteren frontalen Gyrus richtig sind. Ford et al. Eine strukturelle Verbindung zwischen dem SMA und demBroca-Zentrum zum ersten Mal, unterstützt die funktionale Rolle der SMA als Sprachverarbeitung Kortex 55 . Neben der SLF I ist die FAT ein direkter Weg, der die Pars opercularis mit dem anterioren Cingulat und Pre-SMA verbindet, wie die Ergebnisse in dieser Studie zeigen. Catani et al. Definiert die FAT durch DTI und berichtet, dass die kortikale Atrophie der FAT-Verbindungszonen auf dem SMA-Komplex (vor-SMA und anteriorer Teil der SMA richtig) und dem anterioren Cingulat bei Patienten mit primärer progressiver Aphasie zu verbalen fliesslichen Störungen führen kann 46 . Frühere Studien haben gezeigt, dass FAT auch mit Sprachinitiierungsschwierigkeiten und Sprachfehlerdysfunktionen assoziiert sein kann.

Die FST besteht aus Projektion Fasern, die die Pre-SMA und Striatum ( dh, Caudat-Kern und Putamen) zu verbinden. In früheren Studien wurden die Kündigungspunkte der FST im Basal gaNglia war nicht ganz klar Allerdings wurde auch in den jüngsten umfassenden DTI-Studien gezeigt, dass der FST aus dem Pre-SMA stammt und in der internen Kapsel und in der lateralen Oberfläche des putamen 20 , 21 , 22 endet. Darüber hinaus wurde in einer anderen DTI-Studie gezeigt, dass die FST sowohl in der lateralen als auch in der medialen Oberfläche des putamen 18 endet. Funktionell haben Duffau et al. Zeigte Anartria und / oder Beendigung der Bewegung während der intraoperativen direkten elektrischen Stimulation des Putamen, deren Mechanismus am wahrscheinlichsten durch die putaminalen Verbindungen des FST 21 ist .

Der Kortikospinaltrakt verbindet die SMA-Eigen- und Primärmotorenkortex mit dem Rückenmark, aber die Vor-SMA hat keine Fasern des Kortikospinaltraktes 24 . In einer elektrostimulierten Studie von Duffao > Et al. Wurde eine Verhaftung der Bewegung durch die Stimulierung der SMA-Region in der kontralateralen oberen Extremität beobachtet. Es wurde angenommen, dass dies aufgrund der Verbindung der SMA mit dem Rückenmark durch den Kortikospinaltrakt und der kontralateralen SMA durch Kallosalfasern 18 , 56 auftreten kann .

Die klaustrokortikalen Fasern verbinden sich zwischen dem claustrum im zentralen Kern und einem weiten Bereich zwischen der vorderen Kante des Vor-SMA und dem hinteren Teil des Parietallappens 13 . Funktionell wird angenommen, dass die klaustrokortikalen Fasern eine Rolle im Bewusstsein und in der Koordinierung von Informationen aus der visuellen kortikalen Region, limbischen System und somatosensorischen und motorischen Kortizes spielen 27 . Daher wurden klaustrokortikale Faserbündel zwischen dem SMA-Komplex und dem claustrum gedacht, um eine Rolle bei der Ausführung von höheren Motor- und Sprechkontrollen zu spielen> 18

Obwohl in früheren Studien festgestellt wurde, dass die Verbindung von SMA-Komplex mit Cingular-Gyrus über kurze Assoziationsfasern erfolgt, wurde in einer neueren anatomischen Studie festgestellt, dass diese Verbindungen direkt durch Cingularfasern 18 bereitgestellt werden. Funktionell wurde behauptet, dass dieser Weg eine Rolle bei der motorischen Bearbeitung der negativen emotionalen Stimulation zwischen dem SMA und dem limbischen Kortex 18 spielt.

In den letzten Jahren zeigte sich die klinische Bedeutung des SMA-Komplexes ( zB SMA-Syndrom und negative motorische Reaktion) durch eine zunehmende Anzahl von Elektrostimulationsstudien. Daher wurde die Bedeutung der topographischen Anatomie und der subkortikalen Verbindungen der SMA allmählich hervorgehoben. Es ist wichtig, ein besseres Verständnis der topographischen Anatomie, vor allem durch 3D anatomische Studien zu gewinnen, und die klinischen Merkmale dieser Verbindungen zu planen Chirurgie verwenden.

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Disclosures

Die Autoren erklären keine konkurrierenden finanziellen Interessen und keine Quellen für die Finanzierung und Unterstützung, einschließlich aller für Ausrüstung und Medikamente.

Acknowledgments

Die Daten wurden zum Teil vom Human Connectome Project, dem WU-Minn-Konsortium (Principal Investigators: David Van Essen und Kamil Ugurbil, 1U54MH091657), gefördert von den 16 NIH Instituten und Zentren, die den NIH Blueprint für Neuroscience Research unterstützen, Und durch das McDonnell Center für Systems Neuroscience an der Washington University. Die Fig. 2A und 2D wurden mit Genehmigung aus der Rhoton-Sammlung 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899) wiedergegeben.

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

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Neurowissenschaften Ausgabe 123 Ergänzungsmotorenbereich Faserdissektion Diffusions-Tensor-Traktographie dreidimensionale Dokumentation White-Materie-Bahnen Assoziationsfasern Kommissurfasern Projektionsfasern
Faserverbindungen des Ergänzungsmotorenbereichs Revisited: Methodik der Faserdissektion, DTI und Dreidimensionale Dokumentation
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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).

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