Anatomie und Verbindungen der weißen Substanz des Gyrus fusiformis

In dieser Studie haben wir uns mit der zugrunde liegenden Anatomie der subkortikalen weißen Substanz des Gyrus fusiformis befasst, einer Temporallappenregion, von der angenommen wird, dass sie eine wichtige Rolle bei spezialisierten visuellen Verarbeitungsfunktionen wie der Gesichtsverarbeitung spielt. Unseres Wissens hat keine frühere Studie die subkortikale Anatomie des Gyrus fusiformis und seine Relevanz für die Neurochirurgie beschrieben. Die Schonung der Funktion in der Zerebrochirurgie ist abhängig von der Erhaltung der weißen Substanz, die Funktionsbereiche verbindet. Hier haben wir die Verbindungen des Gyrus fusiformis mittels Diffusionsspektrumbildgebung demonstriert und diese Verbindungen durch grobe anatomische Dissektion bestätigt.

Die Rolle der Mikrodissektion ist in einer kürzlich erschienenen Veröffentlichung23 gut beschrieben. Die primäre Bedeutung der Mikrodissektion ist die Bestätigung der Traktografiedaten, da die Traktographie nur eine computergenerierte Darstellung der weißen Substanz ist. Die Bedeutung der Identifizierung dieser Bahnen besteht darin, die anatomischen Beziehungen zu benachbarten Bahnen zu diskutieren. Ein Beispiel innerhalb der Neurochirurgie wären Massen, die einen Trakt betreffen, hätten eine höhere Wahrscheinlichkeit, benachbarte Trakte zu beeinflussen. Außerdem müssen Chirurgen verstehen, welche oberflächlichen Bahnen erhalten werden müssen, wenn sie auf tiefere Teile des Gehirns zugreifen. Zur Unterstützung der Mikrodissektion werden verschiedene Techniken wie die photogrammetrische Bildanalyse entwickelt24. Bei dieser Methode werden Bildgebungsdaten der Probe zur Rekonstruktion der kortikalen Oberfläche und zwischen den einzelnen Dissektionsschritten verwendet, um den Verlust der weißen Substanz während der Dissektion zu minimieren.

Für unsere Dissektion haben wir uns wie zuvor beschrieben für die Klingler-Methode entschieden. Die Klingler-Methode der Fasersektion hat inhärente Stärken und Schwächen. Die primäre Stärke beinhaltet eine verbesserte Faserauflösung bei der endgültigen Dissektion durch eine verbesserte Fasertrennung durch Eindringen von Wassermolekülen, die die Zwischenräume zwischen den Fasern während des Einfrierens ausdehnen. Dies ermöglicht eine einfache Dissektion, da die Fasern bereits vor dem Versuch der Dissektion von benachbarten Fasern und Gehirnsubstanz getrennt sind. Die Schwäche dieser Dissektion und Dissektionen im Allgemeinen besteht darin, dass oberflächliche Fasern beim Sezieren tieferer Fasern geopfert werden müssen. Darüber hinaus muss es für diese Technik eine Methode zum Einfrieren von Gehirnen auf − 80 ° geben, die einigen Forschern möglicherweise nicht zur Verfügung steht.

Zusammenfassung der Ergebnisse Abschnitt

Das erste Hauptbündel war die Verbindung zwischen dem Gyrus fusiformis und dem Gyrus lingualis. Während die kontralateralen Bahnen aus denselben Bereichen der bilateralen lingualen Gyri stammten, gab es leicht unterschiedliche Insertionspunkte am fusiformen Gyrus (links befand sich die Insertion im anteromedialen Teil des Gyrus und rechts im anterolateralen Teil). Es gab auch bilaterale Verbindungen zwischen den unteren Okzipitallappen (Ursprung) und der Fusiform (Insertion). Die Insertionspunkte in die fusiformen Gyri waren identisch mit denen, die für die Traktate zwischen lingualen und fusiformen Gyri identifiziert wurden. Auch U-Fasern verbanden benachbarte Gyri zwischen den unteren okzipitalen und fusiformen Gyri. Es gab auch einen Trakt zwischen dem Gyrus fusiformis und dem Cuneus, der Teil des vertikalen Okzipitalfaszikulus war. Der vertikale Okzipitalfaszikulus verbindet traditionell die oberen und unteren Okzipitalgyri. Der Teil, der in die Fusiform eingeführt wird, ist an dem anteromedialen Teil dieses Gyrus befestigt. Alle diese Verbindungen zeigen eine starke Verbindung zwischen dem Okzipitallappen und den fusiformen Gyri, was darauf hindeutet, dass die Fusiform an Funktionen im Zusammenhang mit dem Sehen oder der Verarbeitung visueller Informationen beteiligt ist.

Gyrus fusiformis und Gesichtswahrnehmung

Studien zur Funktionalität des Gyrus fusiformis stützen eine Verbindung zwischen dieser Region und visuellen Erkennungsprozessen höherer Ordnung, insbesondere der Gesichtserkennung3,4,5,25. Der fusiforme Gesichtsbereich (FFA) innerhalb des rechten Gyrus fusiformis wurde besonders mit der Gesichtsverarbeitung in Verbindung gebracht9. Die Lateralität der Gesichtsverarbeitungsfunktion wurde in einer Studie bestimmt, die Elektrokortikographie mit elektrischer Hirnstimulationsstudie von Rangarajan et al.4. In dieser Studie fanden die Autoren heraus, dass die Stimulation des rechten Gyrus fusiformis beim Betrachten von Gesichtern zu Wahrnehmungsverzerrungen führen kann. Insbesondere führte die Stimulation der linken Fusiform zu nicht verwandten visuellen Verzerrungen, einschließlich der Verzerrung von Farben oder der Produktion von Phonemen.

Mittels Traktographie und Dissektionen konnten wir zeigen, dass der Gyrus lingualis und die Gyri occipitalis inferior in mehrere Bereiche des Gyrus fusiformis anterior einspeisen. Auf der linken Seite befanden sich diese Verbindungen im medialen fusiformen Gyrus in einem Bereich, der als ventromedialer visueller Bereich (VMV) bekannt ist. VMV kann eine Rolle bei der Integration von Farb-, Form- und Texturinformationen für eine ganzheitliche Erkennung spielen5,26. Verbindungen auf der rechten Seite endeten im anterolateralen Teil des Gyrus fusiformis, in dem zuvor erwähnten fusiformen Gesichtsbereich, einem Bereich, der für die Verarbeitung von Gesichtsmerkmalen kritisch ist27.

Unsere Konnektivitätsstudien unterstützen die Tatsache, dass der Gyrus fusiformis je nach Lateralität unterschiedliche Funktionen haben kann. In unserer Dissektion von 10 menschlichen Gehirnen fanden wir heraus, dass 7 Gehirne diesen konsistenten Unterschied in den fusiformen terminalen Verbindungen in Abhängigkeit von der Lateralität zeigten. In einem Gehirn konnten wir die Terminalverbindung auf beiden Seiten nicht bestimmen. In 2 anderen Gehirnen konnten wir die Terminalverbindung auf einer Seite nicht bestimmen. Wir waren nicht in der Lage, die Position einiger terminaler Verbindungen lokaler Verbindungen zu bestimmen, die auf die Unfähigkeit zurückzuführen waren, den Fasertrakt zu finden oder den Trakt in Dissektion zu konservieren. Es wurde nicht festgestellt, dass sich die Volumina des Trakts der weißen Substanz zwischen der rechten und der linken Hemisphäre signifikant unterscheiden (t = 0,56, p = 0,59). Tabelle 1 zeigt die Daten für alle anatomisch bestimmten Endverbindungen des Gyrus fusiformis.

Abgesehen von der Lateralität wird angenommen, dass die Wahrnehmung von Gesichtern durch ein hochgradig vernetztes neuronales Netzwerk vermittelt wird, das einen Kernsatz posteriorer Regionen umfasst, darunter den okzipitalen Gesichtsbereich (OFA), den fusiformen Gesichtsbereich (FFA), den posterioren oberen temporalen Sulcus (PSTs) sowie sogenannte erweiterte Regionen, zu denen der vordere temporale Pol, die Amygdala und der ventromediale präfrontale Cortex gehören5. In: Lohse et al.10 legte ein Netzwerkmodell vor, in dem „das Vorhandensein oder Fehlen von Gesichtern die effektive Konnektivität vom frühen visuellen Kortex zu okzipitotemporalen Bereichen moduliert“, und stellte auch fest, dass Informationsbahnen für Gesichter relativ zu anderen Objekten bei der Entwicklungsprosopagnosie vermindert sind. Insbesondere fanden sie eine schlechtere effektive Konnektivität vom frühen visuellen Kortex zur bilateralen FFA und zum rechten pSTS9,10. Diese Autoren fanden auch heraus, dass Probanden mit Entwicklungsprosopagnosie, während sie die gleiche Gesamtorganisation der weißen Substanz wie Kontrollen im ventralen temporalen Kortex hatten, ähnliche atypische Eigenschaften in Trakten zeigten, die mit gesichtsselektiven Regionen des Cortex9,10 zusammenhängen.

Der inferiore longitudinale Fasciculus (ILF) und der inferiore frontal–occipitale Fasciculus (IFOF) sind in früheren Arbeiten beschrieben28,29,30. Sein occipito-temporaler Verlauf macht es zu einer Kandidatenfaser für die Verarbeitung von Gesichtern. Fünf verschiedene Unterkomponenten des IFOF wurden basierend auf der diffusionsspektrumabbildenden Faserverfolgung vorgeschlagen30. Mit einer Kombination aus Traktographie und Leichendissektion konnten wir mindestens drei verschiedene Unterkomponenten bestätigen. Es wurde gezeigt, dass Komponenten des IFOF aus dem lingualen Gyrus und dem unteren Okzipitalgyrus im unteren frontalen Gyrus endeten, und Komponenten aus dem Cuneus endeten im oberen frontalen Gyrus. In Bezug auf die ILF bestätigten unsere Traktographie und anatomische Dissektion das Vorhandensein von ILF-Unterkomponenten. Ähnlich wie bei Latini konnten wir einen cunealen, lingualen und inferioren Okzipitalast des ILF29 identifizieren. ILF und IFOF verbinden viele der oben genannten Regionen, und Studien haben gezeigt, dass sie auch für die Wahrnehmung von Gesichtern wichtig sind5. Personen mit angeborener Prosopagnosie zeigen strukturelle Störungen des bilateralen ILF und IFOF, einschließlich niedriger fraktionierter Anisotropie (FA) und verringertes Volumen des rechten ILF sowie verringertes Volumen des rechten IFOF5.

Trotz der starken Vernetzung dieses Netzwerks gibt es einige Hinweise darauf, dass seine Anordnung nicht in einer strengen seriellen Hierarchie organisiert ist, so dass gesichtsbezogene Informationen vom Gyrus occipitalis inferior (IOG) zu nachfolgenden Regionen fließen. Eine Studie, die die Resektion der gesamten IOG-Flächen sowie der hinteren 23,3% der hinteren fusiformen Gyrusflächen umfasste, ergab, dass diese gesichtsspezifischen Regionen stromabwärts der Resektion nach der Operation eine bemerkenswerte Elastizität aufwiesen, was auf die Möglichkeit eines nicht hierarchischen Gesichtsnetzwerks mit mehreren Routen hinweist31. Wir planen eine detailliertere Analyse des Traktatvolumens des IFOF, ILF, zusammen mit ihren Unterkomponenten, basierend auf diesen Ergebnissen.

Es gibt eine Reihe von U-förmigen Fasern zwischen dem Gyrus occipitalis inferior und dem Gyrus fusiformis, die das Niveau des hinteren Temporallappens erreichen, ein Befund, der in der Arbeit von Catani et al.32. Es gibt Fasern aus dem lingualen Gyrus und dem unteren Okzipitalgyrus, die in den vorderen fusiformen Gyrus münden. Die Fasern aus dem Gyrus occipitalis inferior entsprechen einem Bereich, der als LO (lateral occipital) bekannt ist und Details, Bewegungen und Informationen sowohl vom dorsalen als auch vom ventralen Strom erhält, um die Form von Objekten zu verarbeiten26. Der linguale Gyrus enthält Funktionsbereiche, die sich auf die grundlegende visuelle Verarbeitung beziehen. Dies gibt den Theorien Glauben, dass die Gesichtsverarbeitung von einem Feed-Forward-Mechanismus aus frühen visuellen Verarbeitungsbereichen (LO, V1, V2 usw.) ausgeht.) zum fusiformen Flächenbereich33. Die Nachbarschaft dieser Verbindungen zum hinteren Temporallappen unterstützt auch die Theorie, dass diese Information in den hinteren Temporalbereich einspeist. Diese Ergebnisse stimmen mit den Ergebnissen überein, die Grill Spector et al. berichtet über die Verbindungen der weißen Substanz des ventralen Gesichtsnetzwerkes33. Grill-Spector et al. entdeckte hierarchische Verbindungen aus dem Gyrus occipitalis inferior und frühen visuellen Bereichen. Darüber hinaus erwähnt ihre Arbeit vertikale weiße Substanz-Trakte, die mit diesem Netzwerk verbunden sind, was wir im vertikalen Okzipitalfaszikulus (VOF) bestätigt haben. Dies kann es ermöglichen, Bereiche, die Teil des Aufmerksamkeitsnetzwerks sind, mit dem Gesichtsverarbeitungsnetzwerk zu verbinden. Grill-Spector stellt auch fest, dass die Gesichtsverarbeitung über mehrere Wege erfolgen kann. Wir haben festgestellt, dass U-förmige Fasern, die von frühen visuellen Verarbeitungsbereichen zum vorderen fusiformen Gyrus verlaufen. Das IFOF und ILF wurden auch in die Gesichtsverarbeitung einbezogen. Zusätzlich gibt es spezifische Bahnen, die vom Gyrus occipitalis inferior und dem Gyrus lingualis in den Gyrus fusiformis münden. Zusammen zeigen diese Ergebnisse, dass mehrere Wege für die Gesichtsverarbeitung im Gehirn existieren können.

Die gesichtsselektiven Regionen des Gyrus fusiformis wurden mit anderen Zuständen als Prosopagnosie in Verbindung gebracht. Es wurde gezeigt, dass das FFA-Volumen bei Erwachsenen, bei denen ein Williams-Syndrom diagnostiziert wurde, im Vergleich zu altersgerechten Kontrollen etwa doppelt so groß ist, obwohl die gesamte Gyrusregion des fusiformen Gyrus beim Williams-Syndrom kleiner ist34. Das Williams-Syndrom ist eine genetische Entwicklungsstörung, die mehrere Organsysteme betrifft. Zusätzlich zu dieser Arbeit wurde festgestellt, dass Menschen mit Williams-Syndrom Schwierigkeiten haben, visuell-räumliche Aufgaben auszuführen. Typischerweise beeinflussen Läsionen des Parietallappens die Fähigkeit, diese Aufgaben auszuführen. Daher deutet dieses funktionelle Defizit bei Patienten mit Williams-Syndrom auf einen möglichen Zusammenhang zwischen dem Gyrus fusiformis und visuell-räumlichen Aufgaben hin. Darüber hinaus scheinen neurotypische Individuen einen symmetrischeren fusiformen Gyrus zu haben als solche mit Autismus-Spektrum-Störung (ASD). Eine Linksasymmetrie des Gyrus fusiformis wurde am häufigsten bei ASD-Patienten nachgewiesen, während eine Minderheit von ASD-Patienten mit schwereren Symptomen eine atypische Rechtsasymmetrie aufwies35. Der potenzielle Zusammenhang des Gyrus fusiformis mit dem Williams-Syndrom und ASD unterstreicht die Rolle dieser Region bei der Gesichtswahrnehmung und den damit verbundenen Funktionen.

Gyrus fusiformis und andere sensorische Funktionen

Der Gyrus fusiformis ist nicht nur der Gesichtsverarbeitung gewidmet. Der linke occipitotemporale Sulcus und der gerade medial dazu liegende Bereich des Gyrus fusiformis sind an der lexikalischen Verarbeitung beteiligt, insbesondere an der Berechnung der Graphembeschreibung – unabhängig von Orientierung, Ort, oder Schriftart. Das Lesen geschriebener Wörter oder Pseudowörter und die Produktion geschriebener Wörter oder Pseudowörter während der Rechtschreibung werden ebenfalls durch diese Bereiche vermittelt11. Schäden am linken hinteren Gyrus fusiformis führen zu Beeinträchtigungen der visuellen Verarbeitung hoher räumlicher Frequenzen, einschließlich orthographischer und nicht-orthographischer Verarbeitung, die sich als reine Alexia zusätzlich zur visuellen Agnosie für Objekte mit hohen räumlichen Frequenzen darstellt8. Einige Individuen haben sich jedoch mit isolierter reiner Alexia präsentiert, nachdem weiße Substanzbahnen, die zwischen der linken medialen BA 37 und der rechten BA 37 verlaufen, beschädigt wurden11. Dies weist auf die Möglichkeit hin, dass die linke mediale BA 37 nicht der einzige Bereich ist, der für eine solche graphemische Beschreibung spezifisch ist. Dieser Befund kann durch den VOF erklärt werden, der Verbindungen zum hinteren Gyrus fusiformis aufweist. Schäden an der VOF wurden mit der Produktion einer reinen Alexia in Verbindung gebracht. Wir führten eine Traktvolumenanalyse des VOF durch, die zeigt, dass das rechte und das linke VOF Unterschiede im Traktvolumen aufweisen (Tabelle 2). Diese große Varianz im Traktvolumen der Patienten kann unterschiedliche funktionelle Rollen des VOF für Patienten zeigen. Die VOF wurde zuvor in der Literatur beschrieben36,37. Diese Studien, die auf der Diffusionstensor-MRT-Technologie basieren, kommen zu dem Schluss, dass die VOF den Gyrus fusiformis mit unimodalen visuellen Assoziationskortices verbindet. Unsere Traktographie und anatomische Dissektion bestätigt diesen Befund durch den Nachweis von Verbindungen in der VOF zwischen dem Gyrus fusiformis und dem Cuneus. Zusätzlich zeigten wir Verbindungen des VOF innerhalb der zuvor erwähnten lateralen Okzipitalregionen. Andere Fasern, die durch den Gyrus fusiformis verlaufen, wie ILF und IFOF, können jedoch auch Kandidaten für die lexikalische Verarbeitung sein.

Der Gyrus fusiformis wurde auch in Graphem-Farb- und Ton-Farb-Synästhesie verwickelt, bei der festgestellt wurde, dass der linke hintere Gyrus fusiformis das Volumen der grauen Substanz erhöht hat, während der linke vordere Gyrus fusiformis sowie das linke MT / V5 das Volumen der grauen Substanz verringert haben38. Schließlich gibt es Hinweise darauf, dass der Gyrus fusiformis Selektivität für menschliche Körper zeigt, getrennt von Gesichtern oder Werkzeugen 6. Studien zeigen, dass verminderte effektive Verbindungen im Gyrus fusiformis mit einem Körpergrößenfehleinschätzungswert korrelierten, der möglicherweise diese Regionen in die Entwicklung von Anorexia nervosa einbezieht7.

Der Gyrus fusiformis ist eine wichtige Region für Aufgaben wie die visuelle Verarbeitung menschlicher Gesichter und Körper sowie die Wahrnehmung von Reizen mit hohen räumlichen Frequenzen. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis der Anatomie dieser Region bei. Ein besseres Verständnis der strukturellen und funktionellen Beziehungen, die dieser Region innewohnen, kann klinische Fortschritte in Bereichen wie der chirurgischen Planung für unterstützen Gliomresektion und funktionelle Kartierung bei Wachkraniotomien. Darüber hinaus können postoperative Ergebnisse im Zusammenhang mit dem Gyrus fusiformis besser verstanden werden im Kontext der Faserbündel Anatomie hervorgehoben durch diese Studie.