國內(nèi)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)在小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)展

馬思明，王雪蕊，閆超群，姬彩碩，劉存志

1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京中醫(yī)醫(yī)院，北京 100010；2.北京中醫(yī)藥大學(xué)東方醫(yī)院，北京 100078 *通訊作者 劉存志lcz623780@126.com

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究過程中，神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)可以無創(chuàng)地在動(dòng)物活體上反映時(shí)間及空間維度的信息[1]，是觀察生理及病理狀態(tài)下腦結(jié)構(gòu)的重要方法。然而，單一的腦結(jié)構(gòu)成像已經(jīng)不能滿足臨床診斷和醫(yī)學(xué)研究的要求，促使神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)從單純的腦形態(tài)學(xué)研究逐漸轉(zhuǎn)換到形態(tài)與功能相結(jié)合的系統(tǒng)研究[2]，必要時(shí)需構(gòu)建相應(yīng)的分子探針，標(biāo)記某一特定生物分子（如蛋白質(zhì)、DNA、RNA），使其能夠在活體和（或）離體地反映靶生物分子的量和（或）功能[3]。目前，神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)在關(guān)注腦解剖結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上，向以下2個(gè)方向延伸：①關(guān)注腦功能的功能神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)，如血氧水平依賴的功能性磁共振成像（blood oxygen level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI）等；②關(guān)注分子水平病理變化和機(jī)制的分子神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)，如正電子發(fā)射斷層顯像（PET）等。

由于相關(guān)腦疾病模型的構(gòu)建無法在人體實(shí)現(xiàn)，必然要借助實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的載體，探索生理、病理狀態(tài)下內(nèi)在的腦功能機(jī)制[4]。在諸多實(shí)驗(yàn)動(dòng)物種類中，嚙齒類小動(dòng)物最常用于動(dòng)物影像學(xué)研究[5]，但此類小動(dòng)物的呼吸、心率、血液循環(huán)頻率、組織器官體積與人類差異較大，因此近年逐漸發(fā)展出適合小動(dòng)物生理特點(diǎn)的神經(jīng)影像學(xué)儀器，如4.7T至14.1T的超高場(chǎng)強(qiáng)MRI掃描儀、小動(dòng)物計(jì)算機(jī)斷層掃描成像儀。兩者不僅符合實(shí)驗(yàn)動(dòng)物學(xué)的3R原則，即“減少、替代、優(yōu)化”，減少不必要的動(dòng)物使用，更好地保證動(dòng)物福利[6]，而且能夠?qū)崿F(xiàn)在體無創(chuàng)檢查，并具有更高的空間分辨率，可以顯示腦組織更加細(xì)微的結(jié)構(gòu)[7]。在高分辨率的結(jié)構(gòu)成像基礎(chǔ)上，多種臨床影像學(xué)成像技術(shù)也應(yīng)用于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，從腦區(qū)激活、功能連接、局部代謝等多元化角度出發(fā)，為腦內(nèi)的病理生理改變提供直觀的影像學(xué)證據(jù)。本文選擇動(dòng)物研究中應(yīng)用較為廣泛的幾種成像技術(shù)，對(duì)其成像原理、應(yīng)用范圍、特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景進(jìn)行綜述。

1 BOLD-fMRI

在生物體內(nèi)，血流動(dòng)力學(xué)變化能夠引起氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）與脫氧血紅蛋白在組織內(nèi)含量比率發(fā)生變化，干擾質(zhì)子自旋去相位[8]。由于血流動(dòng)力學(xué)的改變耦合神經(jīng)電信號(hào)的變化[9]，BOLD-fMRI能夠靈敏地檢測(cè)血氧水平改變，測(cè)量腦靜息態(tài)功能的變化。然而有研究認(rèn)為，物種差異性及麻醉狀態(tài)等可導(dǎo)致動(dòng)物的靜息態(tài)fMRI不能完全模擬人類的靜息狀態(tài)[10]。夏陽等[11]利用9.4T fMRI對(duì)比輕度麻醉大鼠靜息態(tài)與激活態(tài)發(fā)現(xiàn)，嚙齒類動(dòng)物感覺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在靜息態(tài)時(shí)的腦網(wǎng)絡(luò)具有小世界屬性，這一屬性特征與人類一致，證實(shí)其大腦信息處理中的功能分離和整合可能與人類存在某些相似性。在國際上，BOLD-fMRI能夠輔助記憶、注意力甚至情感等認(rèn)知腦功能研究，Zoratto等[12]針對(duì)注意缺陷多動(dòng)障礙大鼠的研究表明，通過在橫核、背側(cè)紋狀體、杏仁核、前額葉皮質(zhì)及兩側(cè)半球設(shè)定種子點(diǎn)，能進(jìn)行基于體素的網(wǎng)絡(luò)連接計(jì)算，結(jié)果提示，模型組較正常大鼠皮質(zhì)回路連接減弱，而邊緣回路連接增強(qiáng)，驗(yàn)證了此雙重回路機(jī)制在控制注意缺陷多動(dòng)障礙行為學(xué)癥狀中的作用。而在國內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，BOLD-fMRI的應(yīng)用主要為疾病模型的感覺神經(jīng)傳入/傳出機(jī)制研究提供影像學(xué)證據(jù)。傅小云等[13]重復(fù)電刺激大鼠左前爪發(fā)現(xiàn)，激活腦區(qū)數(shù)目較刺激前減少，可能與脊髓低位中樞和大腦高位中樞對(duì)傷害性刺激產(chǎn)生的保護(hù)性調(diào)制有關(guān)。此外，BOLD-fMRI也用于某些缺血性腦病的診斷和預(yù)后評(píng)價(jià)。腦在靜息狀態(tài)下存在低頻振幅（low frequency BOLD fluctuation，LFBF）的信號(hào)波動(dòng)，LFBF的產(chǎn)生與血管緩慢舒縮活動(dòng)有關(guān)[14]，而腦組織缺血缺氧后LFBF信號(hào)隨之降低。姚群立等[15]通過觀察大腦中動(dòng)脈閉塞模型（middle cerebral artery occlusion，MCAO）大鼠發(fā)現(xiàn)，超急性期缺血區(qū)皮質(zhì)LFBF信號(hào)強(qiáng)度低于對(duì)側(cè)，缺血區(qū)與種子區(qū)之間的功能相關(guān)性降低，提示應(yīng)用LFBF信號(hào)變化及功能連接分析法可能為局限性腦缺血早期診斷、判斷腦神經(jīng)活動(dòng)的病理生理變化及評(píng)估預(yù)后提供了一種新方法。

2 擴(kuò)散張量成像（diffusion tensor imaging，DTI）

DTI在擴(kuò)散加權(quán)成像（DWI）的基礎(chǔ)上發(fā)展而成。由于DWI的表觀擴(kuò)散系數(shù)（ADC）僅代表水分子的擴(kuò)散特性，不能評(píng)價(jià)各向異性，因此Basser等[16]在此基礎(chǔ)上提出擴(kuò)散張量的概念，利用各向異性分?jǐn)?shù)（FA）、平均擴(kuò)散系數(shù)（MD）、軸向擴(kuò)散系數(shù)（AD）、徑向擴(kuò)散系數(shù)（RD）等參數(shù)評(píng)估腦白質(zhì)纖維的完整性。DTI對(duì)白質(zhì)纖維成像具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為臨床診斷白質(zhì)病變的“金標(biāo)準(zhǔn)”[17-18]。目前國內(nèi)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中，DTI的應(yīng)用仍集中在特定腦區(qū)白質(zhì)損傷的研究，即通過劃定感興趣區(qū)（ROI），比較正常與疾病狀態(tài)下ROI的特定參數(shù)值變化，為疾病的診斷和確定最佳治療時(shí)間提供參考。李上勛等[19]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠椎體束損傷后FA、ADC值呈持續(xù)性下降，傷后72 h達(dá)到最低值。聶婷婷等[20]采用雙環(huán)己酮草酰雙腙誘導(dǎo)小鼠脫髓鞘病變的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，模型組小鼠大腦皮層、海馬及尾狀核的FA值明顯下降，MD及RD值明顯上升?？娕嗟萚21]對(duì)局灶性腦缺血不同時(shí)期白質(zhì)結(jié)構(gòu)損傷與運(yùn)動(dòng)功能下降程度進(jìn)行相關(guān)性分析，推測(cè)出認(rèn)知功能恢復(fù)的有效預(yù)測(cè)指標(biāo)。近年，國際上DTI相關(guān)研究將特定參數(shù)值進(jìn)行更為多元化的分析和比較。Salo等[22]利用傅里葉分析比較了大鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)前后海馬及齒狀回的微結(jié)構(gòu)改變，發(fā)現(xiàn)癲癇大鼠FA值的變化主要由有髓軸突和星形膠質(zhì)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)改變引起。在齒狀回中，有髓軸突的作用更為突出；而在海馬CA3區(qū)中，兩者均發(fā)揮重要作用。諸多實(shí)驗(yàn)在不同層次提示DTI對(duì)白質(zhì)損傷的早期診斷具有重要價(jià)值。此外，纖維追蹤技術(shù)是DTI中不可或缺的一部分。通過數(shù)據(jù)處理后重建的白質(zhì)纖維，能夠更為清晰、具體地顯示特定腦區(qū)白質(zhì)結(jié)構(gòu)或腦區(qū)纖維連接。劉影等[23]研究發(fā)現(xiàn)，大鼠局灶性腦創(chuàng)傷后5 h DTI纖維束成像顯示右側(cè)大腦皮質(zhì)創(chuàng)傷灶周圍區(qū)纖維束斷裂、缺失，與創(chuàng)傷側(cè)病灶周圍區(qū)ADC值降低、FA值升高的結(jié)論一致。國際上已經(jīng)開展了大量腦區(qū)或核團(tuán)間纖維連接的研究[24-25]，以觀察不同腦區(qū)間功能連接的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，驗(yàn)證疾病狀態(tài)下某一神經(jīng)環(huán)路的中樞調(diào)控作用。

3 灌注加權(quán)成像（perfusion weighted imaging，PWI）

PWI結(jié)合外源順磁性對(duì)比劑追蹤技術(shù)，通過局部組織血流量（regional cerebral blood flow，rCBF）、局部組織微循環(huán)血容積（regional cerebral blood volume，rCBV）、平均通過時(shí)間等反映腦組織毛細(xì)血管水平的血流灌注情況。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，PWI可以與DWI相互參照，評(píng)估腦組織的血流動(dòng)力學(xué)變化。張嵐[26]對(duì)血管性癡呆模型大鼠的腦血流研究發(fā)現(xiàn)，模型組前額葉皮質(zhì)與海馬區(qū)rCBV和rCBF比值較假手術(shù)組降低，第45天下降最顯著，驗(yàn)證了腦血流下降與血管性癡呆嚴(yán)重程度密切相關(guān)的觀點(diǎn)。在顯示腦腫瘤供血方面，陳淑玲等[27]對(duì)晚期腦膠質(zhì)瘤模型大鼠的研究表明，病變區(qū)域腦組織rCBV值較對(duì)側(cè)鏡像區(qū)顯著升高，間接反映了病變組織血容量增加。此外，作為PWI的重要分支，動(dòng)脈自旋標(biāo)記（arterial spin labeling，ASL）MRI能夠磁性標(biāo)記水質(zhì)子，并對(duì)血流灌注進(jìn)行定量和定性分析。由于無需注射外源性對(duì)比劑，降低了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性，ASL可能在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中具有較大的應(yīng)用潛力。程曉青等[28]研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠MCAO模型中，閉塞時(shí)間與下降的rCBF、ADC相對(duì)值具有相關(guān)性，CBF與ADC值也具有良好的相關(guān)性，證明三維偽連續(xù)動(dòng)脈自旋標(biāo)記灌注成像能夠評(píng)估缺血性腦卒中的組織損傷。Tiwari等[29]研究表明，一種來源于ASL成像的新算法能夠定量分析毛細(xì)血管同組織間的水交換率，從而有效評(píng)價(jià)缺血性腦卒中大鼠血-腦屏障的通透性，可能將PWI相關(guān)技術(shù)從宏觀結(jié)構(gòu)掃描拓展至微觀結(jié)構(gòu)觀察。

4 磁敏感加權(quán)成像（susceptibility weighted imaging，SWI）

SWI能夠檢測(cè)靜脈血中脫氧血紅蛋白和鐵離子等順磁性物質(zhì)的局部磁場(chǎng)不均勻性，利用不同組織或體素間的磁敏感差異產(chǎn)生對(duì)比增強(qiáng)并成像。近年研究證實(shí)，含鐵血黃素與腦出血/缺血的發(fā)生及演變具有相關(guān)性，SWI在顯示鐵沉淀方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前更多地作為臨床敏感觀察腦內(nèi)微出血和預(yù)測(cè)腦內(nèi)微血管病變的方法[30-31]。田亞楠等[32]研究發(fā)現(xiàn)，SWI對(duì)檢測(cè)大鼠腦出血血腫病灶的時(shí)間及空間敏感性較T2WI更高，更能真實(shí)地反映血腫的演變進(jìn)程，延續(xù)了其對(duì)出血性病灶的顯像優(yōu)勢(shì)。劉紅軍等[33]觀察MCAO模型大鼠超急性期腦缺血灶發(fā)現(xiàn)，造模后20 min SWI即可顯示腦缺血，缺血核心區(qū)SWI信號(hào)逐漸升高并接近正常腦組織，則預(yù)示不可逆梗死，表明SWI能夠協(xié)助腦缺血病灶的診斷及判斷預(yù)后。而國外相關(guān)研究也將SWI作為判斷腦缺血或出血期的影像工具，Verma等[34]利用SWI結(jié)合組織學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在創(chuàng)傷性腦損傷大鼠造模后急性期SWI較傳統(tǒng)MRI能夠更靈敏地顯示腦結(jié)構(gòu)改變，這一結(jié)果為疾病的早期干預(yù)及改善預(yù)后提供可能性。

5 正電子發(fā)射斷層顯像/計(jì)算機(jī)斷層成像（PET/CT）

PET成像作為核醫(yī)學(xué)及分子影像學(xué)領(lǐng)域的重要技術(shù)之一，可通過注射18F-FDG、18F-FET、11C-MET等放射性核素標(biāo)記物顯示腦區(qū)的代謝情況，在分子水平輔助診斷并指導(dǎo)治療。由于PET缺乏定位精確性，國內(nèi)外研究中更多地將其與CT或MRI掃描結(jié)合，從而進(jìn)行定位、定性、定量等多維度觀察，協(xié)助研究疾病的病理機(jī)制。王凌雁等[35]發(fā)現(xiàn)，大鼠動(dòng)靜脈畸形的慢性低灌注模型中，腦組織對(duì)18F-FDG的攝取表現(xiàn)為最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值先顯著上升后下降，隨后小幅度上升，從細(xì)胞功能上證實(shí)該模型引起的低灌注狀態(tài)影響腦組織對(duì)葡萄糖的攝取。朱燕等[36]觀察到在大鼠腦出血模型中，神經(jīng)功能障礙的改善與出血灶體積縮小和糖代謝水平提高具有相關(guān)性。而在腫瘤學(xué)研究中，PET/CT也延續(xù)了其在診斷分級(jí)、評(píng)估療效中的優(yōu)勢(shì)。通過評(píng)估大鼠C6膠質(zhì)瘤放療早期療效，張雨等[37]發(fā)現(xiàn)腫瘤最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值與脊柱旁肌肉最大標(biāo)準(zhǔn)化攝取值的比值能夠反映放療前后腫瘤體積的變化，且與腫瘤細(xì)胞增殖程度和微血管密度呈正相關(guān)，表明PET/CT能夠提供評(píng)價(jià)放療效果的指標(biāo)。

綜上所述，現(xiàn)有幾種應(yīng)用較為廣泛的神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)能夠基于不同體素對(duì)腦的結(jié)構(gòu)、功能、代謝等進(jìn)行多靶點(diǎn)成像（表1），為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可視化研究提供了多樣化的手段。臨床神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與完善帶動(dòng)了基礎(chǔ)研究中小動(dòng)物神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展。然而在參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，由于影像設(shè)備品牌及型號(hào)不同，不同文獻(xiàn)在某一項(xiàng)技術(shù)的具體參數(shù)設(shè)置上差異較大，使其他研究者缺少可以參考的標(biāo)準(zhǔn)值；在技術(shù)融合方面，部分研究已經(jīng)將數(shù)種影像學(xué)技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，如DWI與DTI、PWI結(jié)合，但與多模態(tài)神經(jīng)影像學(xué)要求的結(jié)構(gòu)、功能、代謝等方面的深度融合仍有較大差距；在應(yīng)用范圍方面，盡管小動(dòng)物神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)在成像方法和應(yīng)用靶點(diǎn)上均具有各自的優(yōu)勢(shì)，但在國內(nèi)應(yīng)用廣度較窄，更多地集中于腦缺血/出血性疾病及腦腫瘤的研究，應(yīng)用深度亦較淺，往往僅局限于制備動(dòng)物模型或疾病診斷范圍內(nèi)。由此可見，國內(nèi)小動(dòng)物神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段。在今后的小動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)依據(jù)疾病種類及觀察指標(biāo)選擇相應(yīng)的影像學(xué)技術(shù)，并適當(dāng)拓展多角度的研究方案，使神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)得到更加精準(zhǔn)、深入、合理的應(yīng)用。

表1 小動(dòng)物神經(jīng)影像學(xué)成像技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)