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Neuroscience

Conexões de Fibra da Área Suplementar de Motor Revisitada: Metodologia de Dissecção de Fibras, DTI e Documentação Tridimensional

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

O objetivo deste estudo é mostrar cada passo da técnica de dissecção de fibras em cérebros cadavéricos humanos, a documentação 3D dessas dissecações ea imagem de tensor de difusão das vias fibrosas anatomicamente dissecadas.

Abstract

O objetivo deste estudo é mostrar a metodologia para o exame das conexões de substância branca do complexo de área motora suplementar (SMA) pré-SMA e SMA utilizando uma combinação de técnicas de dissecção de fibras em espécimes cadavéricos e ressonância magnética (MR ) Tractografia. O protocolo também descreverá o procedimento para uma dissecção da substância branca de um cérebro humano, imagens de tractografia de tensor de difusão e documentação tridimensional. As dissecções de fibra no cérebro humano ea documentação 3D foram realizadas na Universidade de Minnesota, Microcirurgia e Neuroanatomia do Laboratório, Departamento de Neurocirurgia. Cinco espécimes de cérebro humano pós-morte e duas cabeças inteiras foram preparados de acordo com o método de Klingler. Os hemisférios cerebrais foram dissecados passo a passo de lateral para medial e medial para lateral sob um microscópio operatório, e imagens 3D foram capturadas em cada estágio. Todos os resultados de dissecção foram suportados por tensor de difusãoImagem. As investigações sobre as conexões em linha com a classificação de Meynert, incluindo fibras associativas (curto, fascículo superior superior I e traços frontais do aslante), fibras de projeção (corticospinal, claustrocortical, cíngulo e frontostriatal) e fibras comissurais Também conduzido.

Introduction

Entre as 14 áreas frontais delineadas por Brodmann, a área pré-motora e pré-frontal que se encontra em frente ao córtex motor precentral tem sido considerada como um módulo silencioso, apesar de o lobo frontal desempenhar um papel importante na cognição, no comportamento, E processamento de voz. Além do complexo de área motora suplementar (SMA), constituído pelo pré-SMA e pelo SMA propriamente dito (área de Brodmann, BA 6), que se estende medialmente, o módulo pré-motor / frontal inclui o pré-frontal dorsolateral (BA 46,8, E 9), frontopolar (BA 10), ventrolateral prefrontal (BA 47), bem como parte do córtex orbitofrontal (BA 11) na superfície lateral do cérebro 1 , 2 .

O complexo SMA é uma área anatômica significativa que é definida por suas funções e suas conexões. A ressecção e os danos desta região causam déficits clínicos significativos conhecidos como SMAsíndrome. A síndrome de SMA é uma condição clínica importante que é particularmente observada em casos de glioma frontal que contêm o complexo SMA 3 . O complexo SMA tem conexões com o sistema límbico, gânglios basais, cerebelo, tálamo, SMA contralateral, lóbulo parietal superior e porções dos lobos frontais através de tratos de fibra. O efeito clínico dos danos a estas ligações de substância branca pode ser mais grave do que para o córtex. Isto deve-se ao facto de as consequências da lesão do córtex poderem ser melhoradas ao longo do tempo devido à elevada plasticidade cortical 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Portanto, a anatomia regional SMA e os caminhos da substância branca devem ser deeplCompreendida, em particular para cirurgia de glioma.

Uma compreensão abrangente da anatomia dos caminhos da substância branca é importante para o tratamento de largo espectro de lesões neurocirúrgicas. Estudos recentes da documentação tridimensional dos resultados anatômicos obtidos em microcirurgia foram utilizados para se obter uma melhor compreensão da anatomia topográfica e da inter-relação dos caminhos da substância branca do cérebro 13,14 . Portanto, o objetivo deste estudo foi examinar as conexões de substância branca do complexo SMA (pré-SMA e SMA propriamente dito) utilizando uma combinação de técnicas de dissecção de fibra em amostras de cadáveres e tractografia de ressonância magnética (MRI) e explicar todos os métodos E princípios de ambas as técnicas e sua documentação detalhada.

Planejamento e Estratégia de Estudo

Antes da realização das experiências, um litroOs procedimentos que precisam ser aplicados aos espécimes antes e durante as dissecções, e todas as conexões entre regiões SMA que foram reveladas com dissecção e DTI foram conduzidas. Os estudos prévios sobre localização e separação anatômica de regiões pré-SMA e SMA-próprias e sobre a anatomia topográfica de suas conexões foram revisados.

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Protocol

Os falecidos são incluídos aqui como uma população, embora pessoas falecidas não são tecnicamente seres humanos; Os sujeitos humanos são definidos por 45 CF 46 como "seres humanos vivos 15 , 16 ".

1. Preparação de amostras

  1. Examine 5 cérebros fixados em formalina (10 hemisférios) e 2 cabeças humanas inteiras.
  2. Fixar os espécimes numa solução de formalina a 10% durante pelo menos 2 meses de acordo com o método de Klingler 17 .
  3. Congelar todos os espécimes a -16 ˚C durante 2 semanas de acordo com o método de Klinger 17 .
  4. Descongelar os espécimes sob a água da torneira.
  5. Realizar uma craniotomia frontotemporal estendida na cabeça cadavérica para expor o cérebro.
    1. Coloque a cabeça cadavérica em uma braçadeira de três pinos ( tabela de materiais).
    2. Fazer uma incisão frontotemporal da pele com um bisturi.
    3. Remova a pele e os músculos usando um bisturi, fórceps e tesoura.
    4. Faça um ou mais buracos no crânio até atingir a dura-máter; Use uma broca com um redutor de velocidade compacto e um acessório de perfuração cranial de 14 mm a 79.000 rpm ( Tabela de Materiais).
    5. Corte a aba do osso e abra o crânio usando um roteador canelado de 2 mm x 15,6 mm com um acessório de rebarba de 2,1 mm em forma de pino a uma velocidade de broca de 80.000 rpm ( Tabela de Materiais).
  6. Remova a dura-máter, a aracnóide ea pia-máter e dissecar usando um microdissector sob um microscópio de 6X a 40X ampliação 5 , 18 ( Tabela de Materiais).

2. Técnica de Dissecção de Fibras

OBSERVAÇÃO: Execute todas as dissecações sob ampliação de 6X a 40X em um microscópio cirúrgico.

  1. Realizar as dissecções de fibras de forma gradual em cada hemisférioRe, de lateral para medial e medial para lateral.
    1. Decorticate o córtex cerebral usando um dissector de panfield ( Tabela de Material ) e remover todos os tecidos frontais cortical para expor os tratos de fibra de associação curtos, que são U fibras ou fibras intergyral que interconectam gyri vizinho 5 , 13 .
    2. Remova as fibras de associação curtas com um dissector de painel e um micro gancho cirúrgico, aparando suavemente sob o microscópio ( Tabela de Materiais) para alcançar e expor as fibras de associação longa, que interligam áreas distantes no mesmo hemisfério.
    3. Vá profundamente nas fibras da associação longa para remover as fibras superficiais da associação usando um micro gancho cirúrgico e um dissector do panfield; Remova cada feixe de fibras sob um microscópio ( Tabela de Materiais) para expor as fibras comissurais de projeção.
    4. Veja cada uma das conexões do complexo SMADe acordo com a anatomia topográfica previamente definida na literatura 2 , 8 , 18 , 19 , 20 , 21 .
  2. Manter todos os espécimes (cabeças inteiras e cérebros) que foram utilizados durante as dissecações em solução de formaldeído a 10% ( Tabela de Materiais) entre os períodos de dissecção.

3. Técnica de Fotografia 3D

  1. Use uma plataforma de cor preta durante a fotografia dos espécimes.
  2. Siga uma técnica de fotografia 3D 22 .
    1. Coloque cada espécime em uma plataforma de cor preta projetada.
    2. Selecione uma cena com uma vista totalmente frontal da amostra e faça uma foto focalizando a câmera em qualquer ponto da amostra próximo ao ponto central na tela da câmera (guia do instrumentoLe). Utilize uma objectiva SLR de 18 a 55 mm f / 3,5-5,6 ou uma lente macro de 100 mm f / 2,8 L e defina a abertura para F29, ISO 100.
    3. Gire a câmera ligeiramente para a esquerda até que o ponto mais à direita na tela da câmera seja o mesmo que o ponto de foco acima. Deslize a câmera para a direita até que o ponto médio na tela se sobreponha ao ponto de foco original na amostra. Focalize a câmera neste ponto e pegue outro tiro.
    4. Manter a distância eo eixo da câmera para a amostra fotografada em valores constantes.
  3. Crie uma imagem 3D usando um programa gerador de imagem 3D (Tabela de materiais).
    1. Abra o programa de software 3D.
    2. Escolha "Abrir imagens estéreo de Arquivo".
    3. Selecione as duas imagens (esquerda e direita) e verifique se a imagem esquerda está no slot esquerdo ea imagem direita está no slot direito.
    4. Selecione a opção "Half color anaglyph RL / 2" e gere o anaglyph no formato jpeg.

    4. Técnica DTI

    1. Adquirir dados de difusão pré-processados ​​utilizando os dados de difusão do Projeto Human Connectome 23 , baixando-os do site referenciado.
      A informação de difusão foi obtida em voluntários normais usando um dispositivo de RM 3 T modificado (tabela de instrumentos) utilizando uma sequência de imagem planar de eco de spin-eco (EPI) com multi- Acelera�o da imagem de banda 24 , 25 , 26 , 27 , 28 . Os parâmetros de sequência relevantes incluem: TR = 5 520 ms; ET = 89,5 ms; FOV = 210 x 180 mm; Matriz = 168 x 144; Espessura da fatia = 1,25 mm (tamanho do voxel 1,25 x 1,25 x 1,25 mm); Factor de multibanda = 3; E valores de b = 1.000 s / mm2 (95 direcções), 2.000 s / mm2 (96 direcções) e 3.000 s / mm2 (97 direcções). Os dados foram então processados ​​utilizando FreeSurfer 29 e FSL 30 ; O processo incluiu correcção de correntes de Foucault, correção de movimento, normalização de intensidade b0, correção de distorção de susceptibilidade e correção de não-linearidade de gradiente 28 , 31 , 32 , 33 . Correspondente T1-ponderada MP-RAGE imagens também estão incluídas no pacote de download. Os procedimentos estão documentados no manual de procedimentos do Projeto Connectome Humano 23 .
    2. Pós-processar os dados de difusão usando Diffusion Spectrum Imaging (DSI) Studio 34 para gerar uma estimativa voxel-wise difusão orientação distribuição função (ODF), empregando uma generalizada q-sampling imaging (GQI) algoritmo [ 35] .
      1. Carregar o conjunto de dados baixado para o software por selEctando "STEP1: Open source images" e selecionando o arquivo data.nii.gz.
      2. Selecione o botão "STEP2: Reconstruction". Depois de verificar a máscara cerebral, vá para o "Passo 2" e selecione "GQI" como o método de reconstrução. Selecione "r ^ 2 ponderação" com uma "razão de comprimento" de "1.0". Deixe as seleções restantes como padrão.
      3. Selecione "Executar reconstrução".
    3. Coloque sementes apropriadas para regiões de interesse para agilizar o rastreamento de fibras.
      1. Na "Janela de Região", clique no botão "Atlas" para colocar sementes para o fascículo longitudinal superior (SLF) I. Selecione "Brodmann" e adicione "Região 6" e "Região 7." Na janela de região, defina o tipo "Região 6" como "semente" e o tipo "Região 7" como "região de inclusões" (ROI).
        1. Selecione "Nova Região" na janela da região e desenhe manualmente um ROINo aspecto mais posterior do giro frontal superior no plano coronal. Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      2. Coloque as sementes para o SLF II de forma semelhante usando "Nova Região" na janela da região e desenhe a região "semente" no aspecto posterior da matéria branca do giro frontal médio no plano coronal. Escolha um ROI usando "Atlas" (como no passo 4.3.1) e regiões Brodmann 9, 10, 46, 39 e 19. Execute o rastreamento de fibra como descrito no passo 4.4.
      3. Coloque as sementes para o SLF III com uma região "semente", usando "Atlas" (como no passo 4.3.1) na janela da região e escolha "Região 40" do Atlas de Brodmann e o ROI de "Atlas ..." na "Região 40 "E" Região 44 ". Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      4. Colocar sementes para fibras de calos usando "Nova Região" na janela da região e desenhar uma "semente" no plano sagitalE corpo caloso. Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      5. Coloque sementes para fibras cinguladas usando "Nova Região" na janela da região e desenhe uma região "semente" no giro médio-cingulado na visão coronal. Use "Nova Região" para desenhar dois ROIs, um no cíngulo mais anterior e um no giro cingulado posterior sob a vista coronal. Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      6. Coloque sementes para fibras claustrocortical usando "Nova Região" na janela da região e desenhe uma "semente" no claustro com um ROI na corona radiata usando a função "Atlas ...". Selecione o atlas como "JHU-WhiteMatter-labels-1mm."
        1. Selecione e adicione "Anterior_corona_radiata", "Posterior_corona_radiata" e "Superior_corona_radiata". Desenhe uma região de evitação para todas as fibras que passam por um plano inferior ao nível do claustrum no plano axial usando "New Region"Na janela da região Execute o rastreamento de fibra como descrito no passo 4.4.
      7. Coloque sementes para o trato corticoespinal usando uma "semente" da função "Atlas ..." na janela da região; Selecione "JHU-WhiteMatter-labels-1mm" e adicione a região "Corticospinal_tract". Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      8. Coloque as sementes para o trato frontal aslativo (FAT) usando uma região "semente" da função "Atlas ..." na janela da região e selecionando o ROI de Brodmann e "Região 6" na "Região 44" e na "Região 45". " Execute o rastreamento de fibra como descrito na etapa 4.4.
      9. Coloque as sementes para o trato frontostriatal (FST) com uma "semente" na "Região 6" usando a função "Atlas ...". Insira novas regiões no "caudate", "putamen" e "globus pallidus" do atlas "HarvardOxfordSub" e defina o tipo na janela da região para "end."
        OBSERVAÇÃO: O rastreamento das fibras para a FST será realizado selecionando a semente da Região 6 e apenas uma das sementes subcorticais por sessão de rastreamento ( isto é, a região 6 e o ​​caudado, seguida pela região 6 e o ​​putamen e, finalmente, a região 6 eo globus Pallidus).
        1. Execute o rastreamento de fibra como descrito no passo 4.4 para cada combinação.
    4. Execute o rastreamento de fibra para cada uma das combinações acima.
      1. Na janela "Opções", defina os parâmetros de rastreamento como: índice de terminação de qa de 0,08, limiar angular de 75, passo de 0,675, suavização de 0,2, comprimento mínimo de 20 mm e comprimento máximo de 200 mm. Selecione a orientação da semente como "Todos", a posição da semente como "Subvoxel" e escolha aleatoriamente como "Ativado". Use a interpolação de direção trilinear com um algoritmo de rastreamento de Eline (Euler). Para cada combinação de regiões acima, escolha "Executar rastreamento" no & #34; Fibra Tracts "janela.
        NOTA: Devido à natureza aleatória do rastreamento, "falsas fibras" claras são identificadas e removidas seletivamente, com as regiões de evitação desenhadas à mão como uma "Nova Região".
    5. Affine registar o cérebro extraído T1 ponderada 3D MP-RAGE scan fornecido no Human Connectome Project dados ajustados para a difusão dados usando o "Slices -> inserir T1 / T2 imagens" função de DSI-Studio. Gere uma renderização de superfície do cérebro selecionando "Slices -> Add Isosurface". Use um "limiar" de 665.

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Representative Results

O complexo SMA está situado na parte posterior do giro frontal superior. As bordas do complexo SMA são o sulco precentral posterior, o sulco frontal superior inferior-lateralmente eo sulco cingulado inferior-medialmente 18 . O complexo SMA consiste em duas partes: a pré-SMA anterior e a SMA propriamente posterior 18 . Existem diferenças em termos de ligações de matéria branca e função entre estas duas partes 18 ( Figura 1A e B ). Nós estudamos as conexões corticais e subcorticais dessas duas partes usando dissecção de fibra e técnicas de DTI e as apresentamos em imagens 3D.

Fibras Associativas do Complexo SMA

A remoção do córtex do lobo frontal expôs as fibras de associação curtas, tEle chamado fibras U, que interconectam gyri vizinho 18 ( Figura 1C ). As fibras de associação curtas do complexo SMA proporcionam conexões entre o complexo SMA e o córtex motor posterior e entre o complexo SMA e o córtex pré-frontal anteriormente 18 ( Figura 2B ). Eles também fornecem conexões entre o pré-SMA eo SMA apropriado no complexo SMA. As fibras de associação longas mais superficiais são o fascículo II superior superior (SLF II) ea parte opercular frontal do SLF III 13 , 36 ( Figura 2A ). Retirou-se o SLF II e o SLF III na frente do sulco pré-central para expor o trato frontal aslântico (FAT), que interconecta o giro frontal superior eo giro frontal inferior ( Figura 2B ). As FAT são fibras de associação superficial que surgem do pré-SMA e do pars operCularis.

Durante a dissecção de FAT, é crítico distinguir anatomicamente o FAT das fibras do corona radiata, que funcionam paralelas no plano vertical. Como indica a literatura, as fibras FAT viajam obliquamente da região SMA para o gyri frontal inferior e se tornam superficiais na pars opercularis 2 . No entanto, outras corona radiata e fibras claustrocortical correm profundamente para os gânglios da base sem ser superficial 18 ( Figura 2C , 3C e 3D ).

Outra associação do trato de fibra do complexo SMA é o SLF I, que conecta o lobo parietal superior ao lobo frontal superior (complexo SMA) eo córtex cingulado anterior no lado mediano do hemisfério 18 , 36 . A dissecção do SLF I foi realizada medial a latApós a decorticação da superfície mediana do hemisfério ( Figura 2A , 3A e 3B ).

Fibras Comissurais do Complexo SMA

A principal via da fibra comissural é as fibras calosas, que ligam o complexo SMA ao complexo SMA contralateral. As fibras calosais são posicionadas entre as radiações corona, cíngulo e SLF I e cruzam até a linha mediana através do corpo caloso para atingir o complexo SMA contralateral ( Figura 2A , 4A e 4B ).

Fibras de Projeção do Complexo SMA

As fibras de projeção consistem de 4 grupos de fibras diferentes relacionados ao complexo SMA: as fibras do cíngulo, as fibras claustrocorticais, o trato frontocitriatal eTrato corticospinal. As fibras cingulares originam da superfície medial do hemisfério para formar o cingulum e funcionam dentro do gyrus do cingulate. A função destas fibras é proporcionar conexões entre o complexo SMA e o sistema límbico 18 ( Figura 2A e 4C ).

A distribuição das bordas das fibras claustrocortais é a borda anterior do pré-SMA anterior e a parte posterior do lobo parietal posteriormente ( Figura 2D e 4D ). Portanto, as fibras originárias do claustrum terminam em todas as áreas complexas de SMA (pré-SMA e SMA propriamente ditas) 37 .

O trato frontostriatal (FST) conecta o complexo SMA eo estriado dorsal ( ie, núcleo caudado e putamen) e viaja entre o c externo e internoÁpsulas 18 ( Figura 3C e 3D ). É difícil distinguir a FST de outras fibras internas da cápsula ( por exemplo, pedúnculos talâmicos, fibras frontopontinas, etc.), bem como de outras fibras no plano vertical ( por exemplo, FAT e outras fibras de corona radiata), quando se utiliza a Técnica de dissecção de fibras. No entanto, Grande et al. Utilizaram a técnica DTI para demonstrar que as fibras FST que surgem do complexo SMA terminam tanto nas cápsulas externa como interna 18 . Aproximadamente 10% das fibras corticais do trato espinal surgem da SMA propriamente dita e terminam na medula espinhal, mas essas fibras não surgem da pré-SMA 38 ( Figura 4E ).

figura 1
Figura 1:Superfície Medial da Vista do Lobo Frontal Esquerdo. As ilustrações 2D marcadas acompanham cada ilustração 3D no lado esquerdo. Vista lateral do hemisfério esquerdo: SMA propriamente dita (roxo) e pré-SMA (verde); O complexo SMA está situado na parte posterior do giro frontal superior, logo em frente ao giro precentral ( A ). Hemisfério esquerdo, medial, vista. Uma linha vertical imaginária ao nível da comissura anterior, perpendicular à linha que se situa entre as comissuras anterior e posterior, é a fronteira entre o SMA propriamente dito (roxo) eo pré-SMA (verde) ( B ) 39 . Após decortication vista. A decorticação expõe fibras de associação curtas, chamadas "fibras U". As fibras U ligam os giros adjacentes uns aos outros, tais como o pré-SMA ao SMA próprio e o SMA próprio ao córtex motor ( C ). Por favor, clique aquiPara ver uma versão maior desta figura.

figura 1
Figura 2: Dissecção de fibras laterais a medianas. As ilustrações 2D marcadas acompanham cada ilustração 3D no lado esquerdo. Vista lateral; O SLF II estende-se entre o giro angular eo giro frontal médio e termina na pars opercularis e pars triangularis. O SLF III liga o giro supramarginal e o pars triangularis no opérculo frontoparietal. Vista mediana; O SLF I conecta o lobo parietal superior ao córtex cingulado anterior e à superfície medial do giro frontal superior, que inclui o complexo SMA ( A ). Após a remoção de uma parte do SLF II no nível coronal, a FAT foi exposta ( B ). As fibras de FAT viajam obliquamente da região SMA para o gyri frontal inferior e se tornam superficiaisNa pars opercularis. Outras fibras corona radiata correm profundamente para os gânglios basais sem serem superficiais ( C ). Outro espécime mostrando a fronteira exposta da distribuição da fibra claustrocortical na área cortical, que está entre a parte anterior do pré-SMA e a parte posterior do lobo parietal ( D ). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figura 1
Figura 3 : Estudo DTI de conexões SMA. Fibras de SLF vistas em uma fatia sagital ( A ) e uma fatia coronal ( B ) em DTI. SLF I (amarelo); SLF II (laranja); SLF III (turquesa). Relação entre FAT (verde) e FST (azul) sagital ( C ) e coronal ( D Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

figura 1
Figura 4 : Estudo DTI de conexões SMA. Fibras calossais vistas em uma fatia coronal ( A ) e uma fatia sagital ( B ) em DTI. As fibras cingulares (vermelho) ( C ), as fibras claustrocortical (laranja) ( D ) eo trato corticoespinal (púrpura) ( E ), como visto em fatias sagitais em DTI. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A Importância e Técnicas de Estudo para os Caminhos da Matéria Branca

O córtex cerebral é aceito como uma estrutura neural principal associada com 2,5 milhões de anos de vida humana. Aproximadamente 20 bilhões de neurônios se separaram em várias partes com base na especificação morfológica e celular 40 . A arquitetura de cada uma dessas partes corticais tem sido funcionalmente sub-agrupadas, tais como sensorimotor sentido e movimento, experiência emocional e complexo raciocínio. Determinou-se que todos os comportamentos em primatas foram formados por conexões anatomo-funcionais únicas e regiões topograficamente distribuídas através das áreas corticais e subcorticais do sistema neural. Embora o córtex cerebral tenha sido pesquisado em detalhes, ainda há uma falta de conhecimento sobre os caminhos da substância branca do sistema neural que conectam diferentes áreas. Áreas como a centrum semiovale e a corona radiata foramTudied antes sob uma vista macroscopic. Durante os anos 1800, os pesquisadores realizaram a dissecção grosseira de macacos usando materiais de coloração mielina e métodos de autorradiografia que foram aplicados com a ajuda de aminoácidos para entender o sistema de fibras de matéria branca. Algumas das principais fibras de associação, tais como o cíngulo e o fascículo uncinado, foram identificadas e nomeadas com estes estudos. Por outro lado, a identificação de outras vias da substância branca, como o fascículo arqueado / fascículo longitudinal superior eo fascículo longitudinal inferior, ainda é contraditória na literatura 41 , 42 , 43 , 44 , 45 .

A compreensão das estruturas da substância branca é muito importante para fornecer detalhes sobre os processos anatômicos de alto nível de comportamento ea estrutura e função do cérebro. UMAUma compreensão mais profunda dos caminhos da substância branca também é crítica para objetivos clínicos. Muitas doenças são causadas por lesões que afetam os caminhos da substância branca. Anteriormente, não havia uma técnica única e adequada que pudesse ser usada para descrever as vias da fibra, apesar das melhorias nas técnicas de imagem radiológica. A técnica de dissecção de fibra cadavérica, que é a técnica mais antiga, foi o método ideal para a educação neuroanatômica de neurocirurgiões jovens eo melhor padrão entre as técnicas de tractografia baseadas em imagens de tensor de difusão, tractografia de RM, tractografia de espectro de difusão e autorradiografia. Os tractos de fibras podem ser visualizados in vivo com MRI; Contudo, a desvantagem desta técnica é a dificuldade em determinar a terminação e a origem das vias de fibras. A técnica autorradiográfica só pode ser utilizada em animais experimentais. Um conhecimento da anatomia do trato da fibra é crítico para ganhar uma compreensão melhor de cognitive, psycHiatric, e as manifestações do motor que seguem disorders da matéria branca tais como a esclerose múltipla.

A plasticidade existe em matéria cinzenta, mas não em matéria branca; Qualquer dano peri-operatório à substância branca causa déficits irreversíveis no paciente (Schmahmann et al. ). Isso torna a anatomia das vias da fibra mais valiosa em neurocirurgia 46 . Durante o planejamento cirúrgico pré-operatório para a remoção de lesões intra-axiais, a localização e deslocamento das vias importantes da fibra, como o fascículo arqueado, as radiações ópticas eo trato corticoespinal devem ser levados em consideração para uma cirurgia bem-sucedida. O conhecimento anatômico, juntamente com a tractografia pré-operatória de RM, propicia avaliação sonora e planejamento cirúrgico para cada paciente. Entretanto, a realização de dissecção de fibra cadavérica sob o microscópio de operação ajuda a melhorar as habilidades das mãos do cirurgião e fornece uma compreensão mais profunda do complexo brAin anatomia em três dimensões. Para alcançar esses ganhos, o cirurgião deve gastar tempo em um laboratório de microcirurgia. Ele / ela só deve se concentrar nos tratos de fibra durante a dissecção, ao invés do que ele / ela gostaria de ver. Por outro lado, hoje, os aperfeiçoamentos nas técnicas de imagem de DTI tornaram possível identificar vias de fibras principais in vivo , tanto no cérebro normal como em situações clínicas onde o sistema de fibras é afectado. Inicialmente, este método não forneceu qualquer informação sobre as regiões de início e término de grandes feixes de fibras e só foi eficaz na definição de extensões. No entanto, com o desenvolvimento da tractografia MR e da imagem de espectro de difusão (DSI), foram tomadas grandes medidas para compreender a anatomia cerebral normal em estudos in vivo e clínicos 47 , 48 , 49 . Nos últimos anos, tem sido sugerido que o mapeamento dos caminhos da substância brancaÉ muito crítico para prevenir déficits pós-operatórios. Também é útil realizar mapeamento elétrico intra-operatório da substância branca para ajudar a proteger estruturas subcorticais significativas e suas funções 50 , 51 . Portanto, a anatomia da região frontal e os caminhos da substância branca devem ser bem compreendidos para a cirurgia de glioma frontal.

Características Anatômicas e Importância Clínica do Complexo SMA

A linha de fronteira macro-anatômica entre o pré-SMA eo SMA propriamente dito é aceita como uma linha imaginária vertical que passa pelo nível da comissura anterior 18 , 39 . Além disso, o pré-SMA eo SMA propriamente dito têm diferenças em termos de suas funções. Embora o SMA próprio tenha tarefas somatotópicas, o pré-SMA tem uma organização somatosensorial 19 . Basicamente, a SMA propriamente dita éE ativação, controle e geração de movimento, enquanto o pré-SMA é responsável pelas tarefas cognitivas e não motoras 8 .

Pacientes com lesões do pré-SMA apresentam diversos graus de comprometimento da fala, variando de uma incapacidade total para iniciar o discurso ( ie, mutismo) a fluência moderada leve 52 . Como seria predito por dados de estimulação elétrica neurocirúrgica, ressecção ou dano ao complexo SMA produz resposta motora negativa nas funções motora e de fala e, eventualmente, resulta em SMA síndrome. A síndrome de SMA é uma síndrome neurocirúrgica complexa de iniciação que varia de perda total de produção motora e de fala, como mutismo acinético, diminuição de movimentos espontâneos e fala 18 , 53 . Portanto, as conexões subcorticais do complexo SMA desempenham um papel importante no planejamento cirúrgico.

As Fibras do Complexo SMA

Neste estudo foram estudadas todas as conexões do complexo SMA, como FAT, FST, fibras de associação curta, SLF I, fibras de calosidade, fibras de cíngulo e fibras claustrocorticais utilizando dissecção de fibra cadavérica e técnicas de DTI que foram definidas na literatura em Anos recentes 8 , 13 , 18 . Nós mostramos e apoiamos nossos resultados da dissecção da fibra através de DTI. No entanto, é difícil separar algumas vias de matéria branca de projeção, como a FST eo trato corticoespinal (CST) de outros feixes de fibras de radiação corona através de dissecção anatômica. Assim, conseguimos mostrar a anatomia topográfica destes dois feixes de fibras de forma mais eficaz através do DTI. Além disso, a capacidade de estudar in vitro e exibir feixes de fibras profundas em detalhe são as outras vantagens do estudo DTI.

O SLF I é uma longa associação de fibras que liga o precuneus (lobo parietal superior) ao complexo SMA e córtex cingulado. SLF I tem funções relacionadas tanto ao sistema límbico, ao se conectar com o córtex cingulado anterior, quanto ao sistema motor, conectando-se com o lobo parietal superior 13 , 18 , 36 , 54 .

As partes posteriores do giro frontal superior e inferior se interconectam com um sistema direto que consiste na FAT, que foi recentemente definida usando as técnicas DTI 2 e, em seguida, com técnicas de dissecção de fibras 18 . A projeção desta via está na pré-SMA e SMA própria no giro frontal superior e na pars opercularis no giro frontal inferior 18 . Ford et ai. Demonstraram uma conectividade estrutural entre a SMA eaBroca pela primeira vez, apoiando o papel funcional da SMA como um córtex de processamento de fala 55 . Além do SLF I, a FAT é uma via direta conectando a pars opercularis com o cíngulo anterior e pré-SMA, conforme indicado pelos resultados deste estudo. Catani et ai. Definiram a FAT por DTI e relataram que a atrofia cortical das zonas de conexão FAT no complexo SMA (pré-SMA e parte anterior do SMA propriamente dito) eo cíngulo anterior em pacientes com afasia progressiva primária pode resultar em distúrbios de fluência verbal 46 . Estudos anteriores indicaram que a FAT também pode estar associada a dificuldades de iniciação à fala e disfunções da fluência da fala 22 .

O FST é composto de fibras de projeção que conectam o pré-SMA eo estriado ( ie, núcleo caudado e putamen). Em estudos anteriores, os pontos de terminação da FST na região basal gaNglia não eram muito claras. No entanto, também foi demonstrado em recentes estudos DTI abrangentes que o FST origina do pré-SMA e termina na cápsula interna e na superfície lateral do putamen 20 , 21 , 22 . Além disso, em outro estudo do DTI, foi demonstrado que o FST termina tanto nas superfícies laterais quanto medianas do putamen 18 . Funcionalmente, Duffau et al. Demonstraram anartria e / ou cessação de movimento durante a estimulação elétrica direta intraoperatória do putamen, cujo mecanismo é mais provável através das conexões putaminais do FST 21 .

O trato corticoespinal conecta o SMA propriamente dito e o córtex motor primário à medula espinhal, mas o pré-SMA não tem fibras do trato corticoespinal 24 . Em um estudo de eletroestimulação realizado por Duffao > Et al. , Observou-se uma parada do movimento estimulando a região SMA no membro superior contralateral. Pensa-se que isso pode ocorrer por causa da conexão da SMA com a medula espinhal pelo trato corticospinal e a SMA contralateral por fibras callosas 18 , 56 .

As fibras claustrocortical conectam entre o claustrum no núcleo central e uma região larga entre a borda anterior do pre-SMA e a parte posterior do lobo parietal [ 13] . Funcionalmente, acredita-se que as fibras claustrocorticais desempenham um papel na consciência e na coordenação da informação proveniente da região cortical visual, do sistema límbico e das corticais somatossensoriais e motoras 27 . Portanto, os feixes de fibras claustrocortical entre o complexo SMA eo claustrum foram pensados ​​para desempenhar um papel na execução de maior motor e fala contro> 18.

Embora tenha sido afirmado em estudos anteriores que a ligação do complexo SMA com giro cingular é através de fibras de associação curto, em um estudo anatômico recente, verificou-se que essas conexões são fornecidas diretamente por fibras cingular 18 . Funcionalmente, foi afirmado que esta via tem um papel no processamento motor de estimulação emocional negativa entre a SMA eo córtex límbico 18 .

Nos últimos anos, a importância clínica do complexo SMA ( por exemplo, síndrome SMA e resposta motora negativa) foi revelada por um número crescente de estudos de eletroestimulação. Portanto, a importância da anatomia topográfica e das conexões subcorticais da SMA foram gradualmente destacadas. É fundamental obter uma melhor compreensão da anatomia topográfica, particularmente através de estudos anatômicos 3D, e usar as características clínicas dessas conexões para planejar a cirurgia.

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Disclosures

Os autores declaram que não há interesses financeiros concorrentes e não há fontes de financiamento e apoio, incluindo qualquer equipamento e medicamentos.

Acknowledgments

Os dados foram fornecidos em parte pelo Projeto Connectome Humano, Consórcio WU-Minn (Investigadores Principais: David Van Essen e Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), financiado pelos 16 Institutos e Centros NIH que apoiam o NIH Blueprint for Neuroscience Research; E pelo McDonnell Center for Systems Neuroscience na Universidade de Washington. As Figuras 2A e 2D foram reproduzidas com permissão da colecção Rhoton 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

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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).

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Neurociência Edição 123 Área motora suplementar dissecção de fibras tractografia tensor de difusão documentação tridimensional vias da substância branca fibras associativas fibras comissurais fibras de projeção
Conexões de Fibra da Área Suplementar de Motor Revisitada: Metodologia de Dissecção de Fibras, DTI e Documentação Tridimensional
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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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