小動(dòng)物腦功能磁共振成像研究進(jìn)展

臧鳳超，張洪英,2 綜述，滕皋軍* 審校

血氧水平依賴的功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging,BOLD-fMRI)是一種無(wú)創(chuàng)性的探索腦神經(jīng)活動(dòng)機(jī)制的方法，在人體已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，包括對(duì)認(rèn)知活動(dòng)、靜息狀態(tài)、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、神經(jīng)精神疾病等方面的腦fMRI研究已經(jīng)取得一系列的發(fā)現(xiàn)和成果，動(dòng)物fMRI研究則可以實(shí)現(xiàn)由于倫理因素在人體不能進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，探索生理、病理狀況下內(nèi)在的腦功能機(jī)制。BOLD信號(hào)的神經(jīng)基礎(chǔ)就是在1990年最早由Ogawa等[1]利用超高場(chǎng)磁共振(7.0 T和8.4 T)對(duì)大鼠腦進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)的。嚙齒動(dòng)物最常用于小動(dòng)物功能磁共振成像研究。小動(dòng)物fMRI可以適用于不宜在人腦進(jìn)行的研究，開(kāi)拓了神經(jīng)科學(xué)的新領(lǐng)域，使我們能更好地理解腦功能活動(dòng)的生理和分子機(jī)制。

1 小動(dòng)物fMRI的研究條件

幾乎絕大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是在麻醉?xiàng)l件下進(jìn)行的，常用的麻醉劑有α-氯醛糖、異氟烷和烏拉坦等。研究發(fā)現(xiàn)實(shí)施全麻會(huì)對(duì)神經(jīng)活動(dòng)和BOLD fMRI信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生影響[2]：麻醉劑抑制腦的激活、代謝及血流動(dòng)力；尤其是腦區(qū)間的功能連接性與麻醉深度有關(guān)，當(dāng)麻醉深度較大時(shí)，兩側(cè)軀體感覺(jué)腦區(qū)間的靜息fMRI功能連接性消失[3]。α-氯醛糖、烏拉坦等麻醉劑具有一定的毒性，不能用于縱向研究；近來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用美托咪定，實(shí)現(xiàn)了鎮(zhèn)靜狀態(tài)的fMRI研究，以便模擬近似清醒狀態(tài)[4,5]。美托咪定是β2腎上腺素能受體激動(dòng)劑，具有鎮(zhèn)定、去焦慮和一些止痛、肌松方面的藥理作用，它的作用安全，可以適用于縱向研究。少數(shù)fMRI研究將大鼠、兔等動(dòng)物經(jīng)過(guò)適應(yīng)性訓(xùn)練，在清醒的狀態(tài)下進(jìn)行成像檢查[6]。清醒狀態(tài)動(dòng)物的fMRI避免了麻醉對(duì)腦血流、腦代謝、神經(jīng)血管反應(yīng)的影響和混淆因素，可以進(jìn)行腦皮層高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的研究，但是面對(duì)的困難是要克服動(dòng)物的頭部運(yùn)動(dòng)干擾及緩解動(dòng)物在掃描環(huán)境中的緊張，為此，一種專(zhuān)用的大鼠固定裝置被設(shè)計(jì)制造出來(lái)。清醒狀態(tài)的動(dòng)物在fMRI實(shí)驗(yàn)過(guò)程也需要注射適量的地西泮等鎮(zhèn)定劑來(lái)消除動(dòng)物的緊張反應(yīng)。

進(jìn)行小動(dòng)物的fMRI研究需要超高場(chǎng)磁共振設(shè)備，因?yàn)樾?dòng)物的腦體積小，需要小孔徑的高場(chǎng)磁體和相應(yīng)的配套小線圈，以便得到良好的、敏感的信號(hào)和信噪比。BOLD信號(hào)不僅依賴于氧合血紅蛋白，還受到血氧、血流速度、血容量等因素的影響；動(dòng)物fMRI檢查過(guò)程還需要對(duì)體溫、呼吸、血氧飽和度、二氧化碳分壓等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以控制這些因素對(duì)血流動(dòng)力學(xué)變化和血氧代謝的影響。

2 小動(dòng)物fMRI腦激活的研究

由于動(dòng)物難以配合進(jìn)行認(rèn)知方面的腦功能成像，目前的動(dòng)物fMRI研究多集中在BOLD機(jī)制、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、神經(jīng)疾病模型及藥物等方面的研究。

大鼠的腦功能刺激實(shí)驗(yàn)多采用組塊設(shè)計(jì)。BOLD信號(hào)是與腦皮層活動(dòng)相關(guān)的，電極刺激大鼠前后爪的方法已經(jīng)廣泛用來(lái)研究BOLD信號(hào)在軀體感覺(jué)通路，特別是感覺(jué)皮層的激活模式，這些研究結(jié)果一致地顯示了刺激單側(cè)前爪引起對(duì)側(cè)第一軀體感覺(jué)皮層(SⅠ)的激活，激活區(qū)BOLD信號(hào)增高2.1%左右[5]；研究也發(fā)現(xiàn)前爪的感覺(jué)代表區(qū)位置位于后爪的代表區(qū)前方和外側(cè)方[7]；但是對(duì)感覺(jué)傳導(dǎo)通路的激活效果研究結(jié)果不一致，Keilholz等[8]利用電刺激大鼠前爪顯示了小腦皮層、丘腦、SⅠ及SⅡ(第二軀體感覺(jué)皮層)的激活，而其他一些類(lèi)似研究未能發(fā)現(xiàn)感覺(jué)傳導(dǎo)路徑的激活[5,7]，可能與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有關(guān)。BOLD信號(hào)與電刺激強(qiáng)度之間的關(guān)系也有不同的研究結(jié)果，多數(shù)的研究認(rèn)為電流1～2 mA、3～8 Hz低頻率的電刺激強(qiáng)度引起感覺(jué)皮層的最大激活，但是Goloshevsky等[9]的研究發(fā)現(xiàn)BOLD信號(hào)隨著電刺激頻率的增加(至180 Hz)而增加。研究也證明刺激前爪誘發(fā)的感覺(jué)皮層的BOLD信號(hào)和體感誘發(fā)電位(SEP)的變化呈相關(guān)性。

對(duì)大鼠的痛覺(jué)的皮層及傳導(dǎo)通路的研究則發(fā)現(xiàn)兩側(cè)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層、扣帶回、丘腦后外側(cè)核、島葉及海馬等腦區(qū)接受刺激時(shí)呈固定激活[10]。

以小動(dòng)物fMRI為工具可以用來(lái)研究大鼠腦梗死后腦功能的重塑變化，例如Dijkhuizen等[11]刺激偏癱肢體發(fā)現(xiàn)，卒中后早期病灶對(duì)側(cè)大腦半球廣泛的激活增強(qiáng)為主，而兩周后(中期)表現(xiàn)為病灶周?chē)せ钤鰪?qiáng)，這種梗死后雙期的腦功能變化機(jī)制為卒中的治療和康復(fù)提供了理論。

3 腦激活的生理和藥理研究

在腦激活的過(guò)程中血流動(dòng)力學(xué)反應(yīng)與腦激活關(guān)系之間存在復(fù)雜的分子機(jī)制，通過(guò)阻斷某些分子通道，觀察對(duì)BOLD信號(hào)的影響，能研究分子通道作用和血流動(dòng)力學(xué)間的關(guān)系，嚙齒動(dòng)物和高場(chǎng)磁共振成為研究BOLD機(jī)制的重要手段。目前主流觀點(diǎn)認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)元興奮和血流BOLD信號(hào)間的中介，通過(guò)谷氨酸鹽、Ca2+、NO等信號(hào)途徑調(diào)節(jié)腦組織微血管舒縮及血氧水平[12-14]。

fMRI可以評(píng)估藥物作用引起的腦活動(dòng)變化，已經(jīng)成為一種藥理學(xué)研究的工具，被稱為藥理學(xué)fMRI (pharmacologic fMRI，phfMRI)。盡管神經(jīng)藥物可能引起心血管、呼吸作用進(jìn)而影響fMRI，小動(dòng)物phfMRI正越來(lái)越多地被用于揭示藥物在神經(jīng)系統(tǒng)的藥理作用，例如觀察戊四唑引起的鼠腦癲癇放電腦區(qū)的活動(dòng)[15]；Shah等[16]利用phfMRI成像探索大鼠腦神經(jīng)遞質(zhì)分布圖，注射嗎啡后使阿片受體密集的腦區(qū)激活及然后注射其拮抗劑納洛酮，發(fā)現(xiàn)嗎啡引起扣帶回、丘腦、下丘腦、杏仁核、導(dǎo)水管周?chē)屹|(zhì)正性激活，并且可以被納洛酮阻斷，激活減退。phfMRI的設(shè)計(jì)一般不用傳統(tǒng)的組塊式設(shè)計(jì)，而是用兩階段式的基線/藥物注射比較。

4 靜息腦功能的研究

靜息fMRI指的是受試者放松、靜止不動(dòng)，并避免任何有意思維活動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行功能磁共振成像。靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)中包含的低頻BOLD信號(hào)波動(dòng)(low frequency fluctuation，LFF)，反應(yīng)了中樞神經(jīng)靜息情況下自發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)(頻率范圍0.01～0.1 Hz)，人類(lèi)的靜息fMRI研究發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)存在默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)較強(qiáng)的興奮活動(dòng)。目前認(rèn)為靜息功能網(wǎng)絡(luò)可能是神經(jīng)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的重要基礎(chǔ)和來(lái)源，對(duì)于靜息狀態(tài)大腦活動(dòng)的研究有利于全面認(rèn)識(shí)大腦的內(nèi)在活動(dòng)機(jī)制。動(dòng)物的靜息fMRI不能模擬人的靜息狀態(tài)，只有在麻醉下進(jìn)行，多數(shù)麻醉方法對(duì)BOLD信號(hào)產(chǎn)生不利影響，近年來(lái)少數(shù)研究開(kāi)始用美托咪定為鎮(zhèn)定劑進(jìn)行淺麻醉，以便獲得強(qiáng)的BOLD信號(hào)和功能連接性。小動(dòng)物的fMRI為揭示LFF信號(hào)的本質(zhì)提供了平臺(tái)。Pelled等[17]對(duì)活體鼠腦和死亡后的鼠腦進(jìn)行的LFF信號(hào)比較研究表明，LFF是一種生理性的信號(hào)。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大鼠兩側(cè)大腦對(duì)稱的功能腦區(qū)如感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層、基底節(jié)等存在一致的LFF信號(hào)網(wǎng)絡(luò)[4,18]，研究認(rèn)為小型哺乳動(dòng)物BOLD信號(hào)中的LFF也適用于探索動(dòng)物腦功能圖。Pawela等[18]研究以大鼠丘腦后區(qū)為種子區(qū)利用時(shí)程相關(guān)方法檢測(cè)到由兩側(cè)第一、第二運(yùn)動(dòng)區(qū)、扣帶回及同側(cè)第二感覺(jué)皮層區(qū)構(gòu)成的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能網(wǎng)絡(luò)，而且還發(fā)現(xiàn)了由視皮層V1區(qū)、背外側(cè)膝狀體核、上丘構(gòu)成的視覺(jué)信號(hào)網(wǎng)絡(luò)。尚未見(jiàn)到小動(dòng)物的腦內(nèi)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)道。

5 非BOLD功能磁共振成像技術(shù)的研究

BOLD信號(hào)所反應(yīng)的是神經(jīng)活動(dòng)相伴隨的血流動(dòng)力學(xué)變化，并不能直接探測(cè)神經(jīng)元的激活過(guò)程。由于血管系統(tǒng)的變化，以及神經(jīng)活動(dòng)與血液動(dòng)力學(xué)之間耦合的復(fù)雜性，BOLD功能磁共振技術(shù)無(wú)法對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行精確的空間和時(shí)間定位。為了克服這些問(wèn)題，研究者們一直在努力發(fā)展直接探測(cè)神經(jīng)元活動(dòng)的非BOLD功能磁共振技術(shù)。這些技術(shù)包括神經(jīng)電流磁共振成像(neuronal current MRI，ncMRI)，擴(kuò)散加權(quán)功能磁共振成像(diffusion-weighted fMRI)，以及分子功能磁共振成像(molecular fMRI)[19]。

小動(dòng)物被廣泛應(yīng)用于非BOLD功能磁共振成像技術(shù)的發(fā)展與可行性研究之中。最近，Luo等[20]利用離體但完整的烏龜腦系統(tǒng)(包含眼睛)進(jìn)行ncMRI技術(shù)的可行性研究。當(dāng)把帶著眼睛的龜腦從顱骨中取出并放置于人工腦脊液中時(shí)，龜腦仍然能夠產(chǎn)生正常的視覺(jué)誘發(fā)神經(jīng)活動(dòng)。因此，該龜腦系統(tǒng)提供了一個(gè)完全沒(méi)有血液但卻能夠響應(yīng)自然生理刺激(視覺(jué))的動(dòng)物模型。利用這個(gè)模型，可以在沒(méi)有任何BOLD效應(yīng)干擾的情況下探測(cè)ncMRI信號(hào)。除了神經(jīng)電流成像實(shí)驗(yàn)，在擴(kuò)散加權(quán)和分子功能磁共振技術(shù)研究中也使用了小動(dòng)物模型。例如Jin等[21]在貓的大腦中探測(cè)視覺(jué)刺激引起的擴(kuò)散加權(quán)磁共振信號(hào)變化，Lin等[22]利用大鼠進(jìn)行以錳離子作為對(duì)比劑的分子功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)。這些基于小動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)為非BOLD技術(shù)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)。

總之，小動(dòng)物的腦功能成像研究已成為影像醫(yī)學(xué)與生理、藥理、精神神經(jīng)等基礎(chǔ)學(xué)科的交匯點(diǎn)，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，將來(lái)會(huì)有更多的研究成果。

致謝：本文撰寫(xiě)得到了美國(guó)芝加哥大學(xué)Jiahong Gao博士的指導(dǎo)。

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