亞麻醉劑量氯胺酮對(duì)機(jī)械性刺激作用腦區(qū)的影響

鄒 亮，王海燕，原 皓，徐 磊，孫 莉，葉鐵虎

1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 腫瘤醫(yī)院麻醉科，北京100021

2中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院麻醉科，北京100730

腦功能成像技術(shù)包括正電子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層(positron emission tomography，PET)、功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)等。已有PET研究證實(shí)，疼痛可激活特殊腦區(qū)［1］，而fMRI的相關(guān)研究較少，且多局限于慢性疼痛［2］及阿片類藥物成癮方面的研究［3］。氯胺酮作為臨床應(yīng)用較廣的鎮(zhèn)痛藥［4］，其中樞作用腦區(qū)研究非常少，有研究結(jié)果顯示100 ng/ml氯胺酮具有鎮(zhèn)痛作用［5］，而筆者前期臨床研究顯示靶控輸注氯胺酮100 ng/ml沒有鎮(zhèn)痛作用［6］。本研究擬在3.0 T fMRI下，探討100 ng/ml氯胺酮對(duì)機(jī)械性刺激作用腦區(qū)的影響。

對(duì)象和方法

對(duì)象于北京協(xié)和醫(yī)院臨床藥理中心受試者庫(kù)中選取健康受試者13名，納入標(biāo)準(zhǔn): (1)男性，年齡20～40歲，18 kg/m2＜體重指數(shù)＜25 kg/m2;(2)右利手［7］;(3)初中以上文化程度; (4)既往無任何其他嚴(yán)重疾病史，無手術(shù)麻醉史，無精神及神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無疼痛病史;(5)無精神及神經(jīng)系統(tǒng)用藥史，無濫用藥物、酒精史;(6)無使用影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和試驗(yàn)結(jié)果的用藥史。排除及中止試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):(1)阿片類藥物過敏史;(2)幽閉恐怖癥者;(3)試驗(yàn)期間出現(xiàn)嗆咳、頭動(dòng)，不能與研究人員合作者;(4)試驗(yàn)期間有明顯呼吸抑制，經(jīng)鼻導(dǎo)管吸氧，SpO2＜92%者;(5)經(jīng)磁共振解剖掃描發(fā)現(xiàn)腦部有異常者。本研究經(jīng)北京協(xié)和醫(yī)院倫理委員會(huì)審查和批準(zhǔn)，向志愿者詳細(xì)解釋并獲得知情同意。

給藥及試驗(yàn)方法開放受試者左肘前靜脈。囑受試者平臥于功能磁共振掃描床上安靜休息30 min，閉目、放松，不思考問題，戴眼罩、耳塞;以海綿墊塞緊頭部?jī)蓚?cè)并以膠布固定頭部，以防頭部運(yùn)動(dòng)造成腦皮層偽激活。鼻導(dǎo)管吸純氧 (3 L/min)。磁共振系統(tǒng)提供的監(jiān)護(hù)儀 (multigas monitor 9500，Medrad公司，美國(guó))監(jiān)測(cè)血壓、心率 (heart rate，HR)和脈搏血氧飽和度 (SpO2)。避免超過安全范圍，安全終末點(diǎn):呼吸頻率 (respiratory rate，RR)＜8次/min至少1 min，SpO2＜92%，平均動(dòng)脈壓 (mean artery pressure，MAP)＜60 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)，HR＜50 bpm至少1 min。采用靜脈單管靶控注射泵TCI-Ⅱ (北京思路高高科技有限公司)，以血漿靶控輸注方式，利用Domino模型，血漿靶濃度設(shè)定為0及100 ng/ml，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，即血漿濃度及效應(yīng)室濃度均達(dá)到設(shè)定濃度，進(jìn)行機(jī)械痛刺激。

疼痛刺激方法選擇受試者左足心直徑約2cm的圓形區(qū)域?yàn)榇碳^(qū)，在此區(qū)域內(nèi)的不同部位來回給予刺激。因?yàn)椴煌茉囌邔?duì)機(jī)械痛刺激的反應(yīng)可存在明顯差異，通過預(yù)實(shí)驗(yàn)選擇不同弗萊探針 (von Frey filaments，vFFs)進(jìn)行刺激，證實(shí)300 g為閾上刺激。采用組塊設(shè)計(jì)方法，掃描流程包括解剖掃描和功能掃描。功能掃描流程為:4 min 10 s的機(jī)械性刺激掃描P(300 g)→12 min的給藥掃描→重復(fù)4 min 10 s的刺激掃描P。采用300 g vFFs進(jìn)行刺激，靜息態(tài) (off)與刺激態(tài) (on)交替，時(shí)間共 4 min 10 s=10 s+［(20 s on+20 s off)×6次］。掃描初始的10 s是采集信號(hào)數(shù)據(jù)作為基線，數(shù)據(jù)并不列入統(tǒng)計(jì)。然后進(jìn)入6次的組塊序列:每個(gè)刺激態(tài)內(nèi)單次刺激 (on)持續(xù)20 s，每個(gè)靜息態(tài) (off)持續(xù)20 s，反復(fù)循環(huán)6次，全面掃描時(shí)間為 4 min 10 s。給藥掃描共12 min=4 min空白平衡掃描 +8 min給藥后掃描 (圖1)。

圖像分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)處理首先采用MRIconvert軟件將圖像格式轉(zhuǎn)化為img/hdr格式，然后用SPM2軟件(http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)對(duì)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。整個(gè)數(shù)據(jù)處理過程可分兩個(gè)階段:空間預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括以下幾個(gè)步驟:頭動(dòng)校正、標(biāo)準(zhǔn)化、與空間濾波、高斯平滑 (FWHM=8 mm)。個(gè)體統(tǒng)計(jì)得到每?jī)蓚€(gè)contrast的con-文件，包括condition-baseline，以及condition之間的比較;然后進(jìn)行組分析。數(shù)據(jù)分析中，設(shè)定的統(tǒng)計(jì)閾值概率最高為P＜0.001(未校正)，激活體積閾值設(shè)定為10個(gè)體元，即連續(xù)激活體元達(dá)到上述數(shù)值以上的腦區(qū)考慮為有意義激活區(qū)。采用Talairach坐標(biāo)分析腦區(qū)解剖位置。

圖1 掃描設(shè)計(jì)Fig 1 Scan design

結(jié) 果

正式試驗(yàn)時(shí)有6名受試者退出，共7名受試者參與，退出原因主要由于對(duì)藥物輸注的恐懼。由于功能磁共振采集數(shù)據(jù)及處理完全可以對(duì)單個(gè)樣本進(jìn)行比對(duì)，因此本試驗(yàn)不受樣本量的影響。受試者平均年齡(33.2±4.9)歲，平均體重 (60.9±5.7)kg，平均體重指數(shù) (22.4±1.0)kg/m2。試驗(yàn)過程中兩種藥物濃度(0、100 ng/ml)時(shí)平均動(dòng)脈壓 ［(80.4±10.3)mmHg比(77.5±7.0)mmHg)，P＞0.05］、心率 ［(73.2±9.9)bpm比 (72.4±9.4)bpm，P＞0.05］、血氧飽和度 ［(98.7±1.1)%比 (98.3±1.3)%，P＞0.05］差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 比較不同氯胺酮濃度下疼痛刺激激活腦區(qū)Table 1 Comparison of the activated brain regions by pain stimulus at different concentrations of ketamine

清醒時(shí)300 g vFFs刺激和氯胺酮100 ng/ml時(shí)300 g vFFs刺激疼痛評(píng)分分別是5.0(3.5，7.3)和4.0(3.0，6.5)［M(p25，p75)］，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (P＞0.05)。清醒時(shí)300 g vFFs刺激與氯胺酮100 ng/ml時(shí)300 g vFFs刺激比較，多激活的腦區(qū)為小腦后葉以及胼胝體，這些部位可能是氯胺酮抑制的腦區(qū)，而反向比較即氯胺酮激活的腦區(qū)主要是額葉、頂葉、枕葉、邊緣葉、以及小腦后葉 (表1，圖2、3)

圖2 0 ng/ml氯胺酮300 g vFFs-100 ng/ml氯胺酮300 g vFFs刺激激活腦區(qū)Fig 2 Activated brain regions in response to 300 g vFFs stimulation after ketamine(0-100 ng/ml)infusion

圖3 100 ng/ml氯胺酮300 g vFFs刺激-0 ng/ml氯胺酮300 g vFFs刺激激活腦區(qū)Fig 3 Activated brain regions in response to 300 g vFFs stimulation after ketamine(100-0 ng/ml)infusion

討 論

fMR是結(jié)合解剖、影像和功能三要素于一體的影像技術(shù)，是目前唯一無侵入性、不涉及放射性元素、可精確定位、信息容量大的人腦高級(jí)功能研究途徑［8］。fMRI檢測(cè)腦活性依賴于器官血流的變化，血氧水平依賴性功能磁共振成像 (blood oxygenation level dependent，BOLD)是目前最流行的 fMRI 技術(shù)［9］。BOLD效應(yīng)是基于神經(jīng)元活動(dòng)對(duì)局部氧耗量和腦血流影響程度不匹配所導(dǎo)致的局部磁場(chǎng)性質(zhì)變化原理。人腦接受各種感覺刺激后，相應(yīng)神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)，局部腦組織血流量顯著增加，雖然同時(shí)氧耗量也增加，但增加幅度較低，其綜合效應(yīng)是局部血液氧合血紅蛋白含量增加，脫氧血紅蛋白的含量減少，導(dǎo)致局部信號(hào)增加。fMRI的空間分辨率為1 mm［10］，時(shí)間分辨率為45 ms［11］，并允許以單個(gè)受試者為單位分析，不受樣本量的限制，對(duì)于腦功能區(qū)研究具有較大優(yōu)勢(shì)。

本研究采用的是最簡(jiǎn)單的減法設(shè)計(jì)，即兩種不同狀態(tài)交替，獲得腦功能的參數(shù)。典型的fMRI試驗(yàn)包括相等時(shí)間 (20～30 s)的刺激和休息交替，3～5個(gè)循環(huán)，在這段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信號(hào)采集。本研究給予受試者6個(gè)循環(huán)的20 s機(jī)械性刺激 (on)和20 s靜息(off)。采用vFFs作為機(jī)械性疼痛刺激方式在fMRI下進(jìn)行腦區(qū)激活的觀察。vFFs是測(cè)量機(jī)械疼痛 (觸痛覺)比較經(jīng)典的手段，方法簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀、可重復(fù)性強(qiáng)［12］。結(jié)果顯示，100 ng/ml氯胺酮抑制小腦后葉以及胼胝體，而激活的腦區(qū)主要是額葉、頂葉、枕葉、邊緣葉、以及小腦后葉，與以前疼痛的功能成像研究結(jié)果大致相同［13-14］，這些腦區(qū)可能是氯胺酮發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用的腦區(qū)。

成像研究證實(shí)，人類正常疼痛感覺處理中大腦皮層有重要的作用［14］。盡管存在個(gè)體差異，一般認(rèn)為最常被激活的腦區(qū)包括前扣帶回 (anterior cingutate，ACC)、島葉 (insular lobe，IC)、初級(jí)體感皮層 (primary somatosensory area of the cerebral cortex，SI)、次級(jí)體感皮層 (secondary somatosensory area of the cerebral cortex，SⅡ)、前額葉 (prefrontal cortex，AFC)、顳葉、丘腦和小腦［1，8，15］等，最一致的認(rèn)識(shí)是疼痛激活A(yù)CC、IC和SⅡ，這些腦區(qū)合稱疼痛基質(zhì)。

前扣帶回是在所有疼痛研究都能誘導(dǎo)出來的皮質(zhì)區(qū)。Vogt等［16］研究認(rèn)為，前扣帶回吻側(cè)主要參與疼痛的情感方面，而尾部主要參與傷害防御反射的抑制。本研究機(jī)械疼痛刺激未誘導(dǎo)出前扣帶回激活，推測(cè)其可能原因是疼痛刺激較輕，也可能是受試者的個(gè)體差異導(dǎo)致組分析結(jié)果為陰性。有研究認(rèn)為，扣帶回可能僅是一個(gè)非特異性感覺認(rèn)識(shí)整合中樞;單純痛覺刺激只引起單側(cè)扣帶回興奮，有注意任務(wù)時(shí)雙側(cè)均興奮［13，17］。本研究也發(fā)現(xiàn)疼痛刺激時(shí)，氯胺酮激活雙側(cè)扣帶回，即氯胺酮可能通過降低受試者對(duì)疼痛的注意改變其對(duì)疼痛的感知。

臨床、生理及功能成像研究證實(shí)軀體感覺皮質(zhì)不但參與疼痛的精細(xì)辨別還參與疼痛經(jīng)歷的制作［18-19］。氯胺酮改變SⅠ區(qū)的腦活動(dòng)，說明氯胺酮可能干預(yù)疼痛強(qiáng)度的編碼。額前皮質(zhì)在疼痛的感知、情緒，以及反射性運(yùn)動(dòng)方面都具有非常重要的作用［20］。本研究結(jié)果顯示氯胺酮可改變額葉神經(jīng)元的活動(dòng)。

兩側(cè)的后頂葉皮質(zhì)都具有同SⅡ相同的感覺神經(jīng)元［21］，無論是試驗(yàn)疼痛、創(chuàng)傷疼痛、慢性疼痛都可引起此區(qū)域的激活［22］，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)氯胺酮改變頂葉神經(jīng)元激活。

本研究還觀察到氯胺酮對(duì)小腦的抑制，小腦不參與疼痛的處理，但在試驗(yàn)條件下，為避免受試者體動(dòng)，試驗(yàn)前讓其盡量不動(dòng)，而有意識(shí)的控制體動(dòng)與實(shí)際的體動(dòng)都會(huì)出現(xiàn)小腦的激活［23］。

N-甲基-D-天冬氨酸受體 (N-methyl-D-asparticacid receptor，NMDA)廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)，如:海馬、丘腦和下丘腦等，受體激活被認(rèn)為是傷害性刺激后中樞敏化的關(guān)鍵所在，是持續(xù)性疼痛產(chǎn)生與維持的關(guān)鍵因素［24-25］。氯胺酮是NMDA受體非特異拮抗劑，其鎮(zhèn)痛機(jī)制可能通過多種機(jī)制阻斷NMDA受體的激活，抑制鈣離子通道開放，促使鈣離子內(nèi)流減少，從而發(fā)揮鎮(zhèn)痛作用［26-28］。通過本研究結(jié)果筆者推測(cè)，100 ng/ml氯胺酮可能是通過額葉、頂葉、扣帶回NMDA受體非特異拮抗改變這些腦區(qū)神經(jīng)元的電活動(dòng)達(dá)到鎮(zhèn)痛作用。

本研究不足之處在于樣本量較小，但因fMRI可做單個(gè)樣本對(duì)照研究，因此不影響研究結(jié)果。同時(shí)由于結(jié)果只是腦區(qū)激活，并不能說明氯胺酮就是在這些區(qū)域分布，因此無法對(duì)研究藥物的靶點(diǎn)進(jìn)行定位，有待后期通過其他影像方法進(jìn)行定位。

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