Fiberverbindingen van de aanvullende motorruimte herzien: Methode van vezeldissectie, DTI en driedimensionale documentatie
Summary
Het doel van deze studie is om elke stap van de vezeldissectietechniek te tonen op menselijke cadaverische hersenen, de 3D-documentatie van deze dissecties en de diffusie-tensorbeelden van de anatomisch gedissendeerde vezelwegen.
Abstract
Het doel van deze studie is om de methodologie voor het onderzoek van de witte stofverbindingen van het SMA-complex (SMA en SMA) te laten zien met behulp van een combinatie van vezeldissectietechnieken op cadaverische monsters en magnetische resonantie (MR ) Tractografie. Het protocol beschrijft ook de procedure voor een witte materiaaldissectie van een menselijk brein, diffusie tensor tractografie beeldvorming en driedimensionale documentatie. De vezeldissecties op menselijke hersenen en de 3D documentatie werden uitgevoerd bij de Universiteit van Minnesota, Microchirurgie en Neuroanatomie Laboratorium, Afdeling Neurochirurgie. Vijf postmortem humane hersenmonsters en twee hele koppen werden bereid volgens Klingler's methode. Hersenen hemisferen werden stap voor stap gesplitst van zijdelings naar mediaal en mediaal naar lateraal onder een operationele microscoop, en in elke fase werden 3D beelden opgenomen. Alle dissectie resultaten werden ondersteund door diffusie tensorin beeld brengen. Onderzoek naar de verbindingen in lijn met Meynert's vezelwegen classificatie, inclusief vereniging vezels (korte, superieure longitudinale fasciculus I en frontale aslanten), projectie vezels (corticospinale, claustrocortical, cingulum en frontostriatale tracten) en commissurale vezels (callosal vezels) waren Ook uitgevoerd.
Introduction
Van de 14 frontgebieden die door Brodmann worden afgebakend, is het voor- en prefrontale gebied voor de precentrale motorcortex al lang beschouwd als een stille module, ondanks het feit dat de frontale lobe een belangrijke rol speelt in cognitie, gedrag, leren, En spraakverwerking. Naast het SMA-complex (SMA), bestaande uit de voor-SMA en de SMA (Brodmann Area, BA 6) die mediaal uitstrekt, omvat de voormotor / frontmodule de dorsolaterale prefrontale (BA 46, 8, En 9), frontopolar (BA 10) en ventrolaterale prefrontale (BA 47) cortices, evenals een deel van de orbitofrontale cortex (BA 11) op het laterale oppervlak van de hersenen 1 , 2 .
Het SMA-complex is een belangrijk anatomisch gebied dat wordt gedefinieerd door zijn functies en de verbindingen ervan. De resectie en schade van deze regio veroorzaakt significante klinische tekorten, bekend als de SMAsyndroom. Het SMA syndroom is een belangrijke klinische aandoening die vooral bijgevoelig is voor frontale gliomen die het SMA complex 3 bevatten . Het SMA-complex heeft verbindingen met het limbische systeem, basale ganglia, cerebellum, thalamus, contralaterale SMA, superieure parietale lobe en delen van de frontale lobben via vezelkanalen. Het klinische effect van schade aan deze witte stofverbindingen kan ernstiger zijn dan de cortex. Dit komt omdat de gevolgen van schade aan de cortex gedurende de tijd kunnen worden verbeterd door hoge corticale plasticiteit 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 ,. Daarom moet de regionale anatomie van SMA en de witte materiepaden diep zijnJ begrepen, met name voor gliomoperatie.
Een uitgebreid begrip van de anatomie van witte materiepaden is belangrijk voor de brede spectrumbehandeling van neurochirurgische letsels. Recente studies van de driedimensionale documentatie van de anatomische resultaten die in microchirurgie werden verkregen, werden gebruikt om een beter begrip te krijgen van de topografische anatomie en de onderlinge relatie tussen hersenwitstofwegen 13 , 14 . Daarom was het doel van deze studie om de witte materieverbindingen van het SMA-complex (voor SMA en SMA) te onderzoeken door gebruik te maken van een combinatie van vezeldissectietechnieken op cadaverische monsters en magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en om alle methoden te verklaren En principes van beide technieken en hun gedetailleerde documentatie.
Planning en strategie van de studie
Voorafgaand aan het uitvoeren van de experimenten, een literOnderzoek naar de basisprincipes van vezeldissecties, de procedures die moeten worden toegepast op specimens vóór en tijdens dissecties en alle verbindingen tussen SMA-regio's die zijn geopenbaard met dissectie en DTI. De eerdere studies over de anatomische lokalisatie en afscheiding van pre-SMA- en SMA-juiste regio's en op de topografische anatomie van hun verbindingen werden beoordeeld.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het belang van en studietheorieën voor de wegenwegen
De cerebrale cortex wordt geaccepteerd als een hoofd neurale structuur in verband met 2,5 miljoen jaar van het menselijk leven. Ongeveer 20 miljard neuronen zijn gescheiden in verschillende delen op basis van morfologische en cellulaire specificatie 40 . De architectuur van elk van deze corticale delen is functioneel gesubdelegeerd, zoals sensorimotorisch gevoel en beweging, emotionele ervaring en complexe redenering….
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De gegevens werden gedeeltelijk verstrekt door het Human Connectome Project, WU-Minn Consortium (Hoofdonderzoekers: David Van Essen en Kamil Ugurbil; 1U54MH091657), gefinancierd door de 16 NIH Instituten en Centra die de NIH Blueprint voor Neuroscience Research ondersteunen; En door het McDonnell Center for Systems Neuroscience aan de Universiteit van Washington. Figuren 2A en 2D werden gereproduceerd met toestemming van de Rhoton-collectie 57 (http://rhoton.ineurodb.org/?page=21899).
Materials
| %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 100mm 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 |
References
- Nieuwenhuys, R., Voogd, J., Huijzen, C. V. . The Human Central Nervous System. , 620-649 (2008).
- Catani, M., Acqua, F., Vergani, F., Malik, F., Hodge, H. Short frontal lobe connections of the human brain. Cortex. 48, 273-291 (2012).
- Duffau, H., Capelle, L. Preferential brain locations of low-grade gliomas. Cancer. 100 (12), 2622-2626 (2004).
- Yasargil, M. G., Türe, U., Yasargil, D. C. Impact of temporal lobe surgery. J Neurosurg. 101 (05), 725-738 (2004).
- 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).
- 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).
- Duffau, H. New concepts in surgery of WHO grade II gliomas: Functional brain mapping, connectionism and plasticity-a review. J Neurooncol. 79 (1), 77-79 (2006).
- Vergani, F., et al. White matter connections of the supplementary motor area in humans. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 85 (12), 1377-1385 (2014).
- 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).
- 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).
- Behrens, T. E. Non-invasive mapping of connections between human thalamus and cortex using diffusion imaging. Nat. Neurosci. 6, 750-757 (2003).
- 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).
- Yagmurlu, K., Vlasak, A. L., Rhoton Jr, A. L. Three-Dimensional Topographic Fiber Tract Anatomy of the Cerebrum. Neurosurgery. 2, 274-305 (2015).
- 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).
- Couzin, J. Crossing a frontier: Research on the dead. Science. 299 (5603), 29-30 (2003).
- . University of Minnesota. Research Ethics Available from: https://www.ahc.umn.edu/img/assets/26104/Research (2016)
- 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).
- Bozkurt, B. The Microsurgical and Tractographic Anatomy of the Supplementary Motor Area Complex in Human. J World Neurosurg. 95, 99-107 (1956).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shimizu, S. Anatomic dissection and classic three-dimensional documentation: a unit of education for neurosurgical anatomy revisited. Neurosurgery. 58 (5), E1000 (2006).
- . Connectome Database Available from: https://db.humanconnectome.org (2016)
- 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).
- Feinberg, D. A. Multiplexed Echo Planar Imaging for sub-second whole brain fMRI and fast diffusion imaging. PLoS One. 5, e15710 (2010).
- 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).
- 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).
- Glasser, M. F. The minimal preprocessing pipelines for the Human Connectome Project. Neuroimage. 80, 105-124 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Yeh, F. C., Wedeen, V. J., Tseng, W. Y. Generalized q-sampling imaging. IEEE Trans Med Imaging. 29 (9), 1626-1635 (2010).
- 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).
- Fernández-Miranda, J. C., Rhoton, A. L., 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).
- 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).
- Picard, N., Strick, P. L. Imaging the premotor areas. Curr. Opin. Neurobiol. 11, 663-672 (2001).
- 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).
- Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 237-294 (1965).
- Geschwind, N. Disconnexion syndromes in animals and man. Brain. 88 (3), 585-644 (1965).
- Goldman-Rakic, P. S. Topography of cognition: parallel distributed networks in primate association cortex. Annu Rev Neurosci. 11 (1), 137-156 (1988).
- Mesulam, M. M. From sensation to cognition. Brain. 121 (6), 1013-1052 (1998).
- Mesulam, M. Large-scale neurocognitive networks and distributed processing for attention, language, and memory. Ann Neurol. 28 (5), 597-613 (1990).
- Schmahmann, J. D., Pandya, D. N. . Fiber pathways of the brain. 8, 393-409 (2006).
- Bammer, R., Acar, B., Moseley, M. E. In vivo MR tractography using diffusion imaging. Eur J Radiol. 45 (3), 223-234 (2003).
- 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).
- 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).
- 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).
- Bernstein, M. Subcortical stimulation mapping. J Neurosurg. 100 (3), 365 (2004).
- 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).
- Krainik, A. Role of the healthy hemisphere in recovery after resection of the supplementary motor area. Neurology. 62, 1323-1332 (2004).
- 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).
- 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).
- 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).
