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)是一種無創(chuàng)性的探索腦神經(jīng)活動機制的方法，在人體已經(jīng)進行了大量研究，包括對認知活動、靜息狀態(tài)、視覺、運動、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，動物fMRI研究則可以實現(xiàn)由于倫理因素在人體不能進行的基礎(chǔ)研究，探索生理、病理狀況下內(nèi)在的腦功能機制。BOLD信號的神經(jīng)基礎(chǔ)就是在1990年最早由Ogawa等[1]利用超高場磁共振(7.0 T和8.4 T)對大鼠腦進行研究時發(fā)現(xiàn)的。嚙齒動物最常用于小動物功能磁共振成像研究。小動物fMRI可以適用于不宜在人腦進行的研究，開拓了神經(jīng)科學(xué)的新領(lǐng)域，使我們能更好地理解腦功能活動的生理和分子機制。

1 小動物fMRI的研究條件

幾乎絕大多數(shù)的實驗動物是在麻醉條件下進行的，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)實施全麻會對神經(jīng)活動和BOLD fMRI信號強度產(chǎn)生影響[2]：麻醉劑抑制腦的激活、代謝及血流動力；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，兩側(cè)軀體感覺腦區(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；近來的研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用美托咪定，實現(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、兔等動物經(jīng)過適應(yīng)性訓(xùn)練，在清醒的狀態(tài)下進行成像檢查[6]。清醒狀態(tài)動物的fMRI避免了麻醉對腦血流、腦代謝、神經(jīng)血管反應(yīng)的影響和混淆因素，可以進行腦皮層高級認知活動的研究，但是面對的困難是要克服動物的頭部運動干擾及緩解動物在掃描環(huán)境中的緊張，為此，一種專用的大鼠固定裝置被設(shè)計制造出來。清醒狀態(tài)的動物在fMRI實驗過程也需要注射適量的地西泮等鎮(zhèn)定劑來消除動物的緊張反應(yīng)。

進行小動物的fMRI研究需要超高場磁共振設(shè)備，因為小動物的腦體積小，需要小孔徑的高場磁體和相應(yīng)的配套小線圈，以便得到良好的、敏感的信號和信噪比。BOLD信號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；動物fMRI檢查過程還需要對體溫、呼吸、血氧飽和度、二氧化碳分壓等進行監(jiān)測，以控制這些因素對血流動力學(xué)變化和血氧代謝的影響。

2 小動物fMRI腦激活的研究

由于動物難以配合進行認知方面的腦功能成像，目前的動物fMRI研究多集中在BOLD機制、感覺運動系統(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驗多采用組塊設(shè)計。BOLD信號是與腦皮層活動相關(guān)的，電極刺激大鼠前后爪的方法已經(jīng)廣泛用來研究BOLD信號在軀體感覺通路，特別是感覺皮層的激活模式，這些研究結(jié)果一致地顯示了刺激單側(cè)前爪引起對側(cè)第一軀體感覺皮層(SⅠ)的激活，激活區(qū)BOLD信號增高2.1%左右[5]；研究也發(fā)現(xiàn)前爪的感覺代表區(qū)位置位于后爪的代表區(qū)前方和外側(cè)方[7]；但是對感覺傳導(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(第二軀體感覺皮層)的激活，而其他一些類似研究未能發(fā)現(xiàn)感覺傳導(dǎo)路徑的激活[5,7]，可能與實驗設(shè)計有關(guān)。BOLD信號與電刺激強度之間的關(guān)系也有不同的研究結(jié)果，多數(shù)的研究認為電流1～2 mA、3～8 Hz低頻率的電刺激強度引起感覺皮層的最大激活，但是Goloshevsky等[9]的研究發(fā)現(xiàn)BOLD信號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)的感覺皮層的BOLD信號和體感誘發(fā)電位(SEP)的變化呈相關(guān)性。

對大鼠的痛覺的皮層及傳導(dǎo)通路的研究則發(fā)現(xiàn)兩側(cè)感覺運動皮層、扣帶回、丘腦后外側(cè)核、島葉及海馬等腦區(qū)接受刺激時呈固定激活[10]。

以小動物fMRI為工具可以用來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)，卒中后早期病灶對側(cè)大腦半球廣泛的激活增強為主，而兩周后(中期)表現(xiàn)為病灶周圍激活增強，這種梗死后雙期的腦功能變化機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

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

fMRI可以評估藥物作用引起的腦活動變化，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、呼吸作用進而影響fMRI，小動物phfMRI正越來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[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)水管周圍灰質(zhì)正性激活，并且可以被納洛酮阻斷，激活減退。phfMRI的設(shè)計一般不用傳統(tǒng)的組塊式設(shè)計，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，并避免任何有意思維活動的狀態(tài)下進行功能磁共振成像。靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)中包含的低頻BOLD信號波動(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(頻率范圍0.01～0.1 Hz)，人類的靜息fMRI研究發(fā)現(xiàn)靜息狀態(tài)存在默認網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)較強的興奮活動。目前認為靜息功能網(wǎng)絡(luò)可能是神經(jīng)認知網(wǎng)絡(luò)活動的重要基礎(chǔ)和來源，對于靜息狀態(tài)大腦活動的研究有利于全面認識大腦的內(nèi)在活動機制。動物的靜息fMRI不能模擬人的靜息狀態(tài)，只有在麻醉下進行，多數(shù)麻醉方法對BOLD信號產(chǎn)生不利影響，近年來少數(shù)研究開始用美托咪定為鎮(zhèn)定劑進行淺麻醉，以便獲得強的BOLD信號和功能連接性。小動物的fMRI為揭示LFF信號的本質(zhì)提供了平臺。Pelled等[17]對活體鼠腦和死亡后的鼠腦進行的LFF信號比較研究表明，LFF是一種生理性的信號。研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大鼠兩側(cè)大腦對稱的功能腦區(qū)如感覺運動皮層、基底節(jié)等存在一致的LFF信號網(wǎng)絡(luò)[4,18]，研究認為小型哺乳動物BOLD信號中的LFF也適用于探索動物腦功能圖。Pawela等[18]研究以大鼠丘腦后區(qū)為種子區(qū)利用時程相關(guān)方法檢測到由兩側(cè)第一、第二運動區(qū)、扣帶回及同側(cè)第二感覺皮層區(qū)構(gòu)成的感覺運動功能網(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)成的視覺信號網(wǎng)絡(luò)。尚未見到小動物的腦內(nèi)默認網(wǎng)絡(luò)報道。

5 非BOLD功能磁共振成像技術(shù)的研究

BOLD信號所反應(yīng)的是神經(jīng)活動相伴隨的血流動力學(xué)變化，并不能直接探測神經(jīng)元的激活過程。由于血管系統(tǒng)的變化，以及神經(jīng)活動與血液動力學(xué)之間耦合的復(fù)雜性，BOLD功能磁共振技術(shù)無法對神經(jīng)元活動進行精確的空間和時間定位。為了克服這些問題，研究者們一直在努力發(fā)展直接探測神經(jīng)元活動的非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，龜腦仍然能夠產(chǎn)生正常的視覺誘發(fā)神經(jīng)活動。因此，該龜腦系統(tǒng)提供了一個完全沒有血液但卻能夠響應(yīng)自然生理刺激(視覺)的動物模型。利用這個模型，可以在沒有任何BOLD效應(yīng)干擾的情況下探測ncMRI信號。除了神經(jīng)電流成像實驗，在擴散加權(quán)和分子功能磁共振技術(shù)研究中也使用了小動物模型。例如Jin等[21]在貓的大腦中探測視覺刺激引起的擴散加權(quán)磁共振信號變化，Lin等[22]利用大鼠進行以錳離子作為對比劑的分子功能磁共振成像實驗。這些基于小動物的實驗為非BOLD技術(shù)的發(fā)展作出了巨大的貢獻。

總之，小動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，在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究中得到越來越多的應(yīng)用，將來會有更多的研究成果。

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

[1]Ogawa S, Lee TM, Kay AR, et al. Brain magnetic resonance imaging with contrast dependent on blood oxygenation. Proc Natl Acad Sci U S A, 1990,87(24):9868-9872.

[2]Hudetz AG, Wood JD, Kampine JP. Cholinergic reversal of isoflurane anesthesia in rats as measured by crossapproximate entropy of the electroencephalogram.Anesthesiology, 2003,99(5):1125-1131.

[3]Lu H, Zuo Y, Gu H, et al. Synchronized delta oscillations correlate with the resting-state functional MRI signal. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007,104(46):18265-18269.

[4]Zhao F, Zhao T, Zhou L, et al. BOLD study of stimulationinduced neural activity and resting-state connectivity in medetomidine-sedated rat. Neuroimage, 2008,39(1):248-260.

[5]Weber R, Ramos-Cabrer P, Wiedermann D, et al. A fully noninvasive and robust experimental protocol for longitudinal fMRI studies in the rat. Neuroimage,2006,29(4):1303-1310.

[6]Duong TQ. Cerebral blood flow and BOLD fMRI responses to hypoxia in awake and anesthetized rats. Brain Res, 2007,1135(1):186-194.

[7]Bock C, Krep H, Brinker G, et al. Brainmapping of alphachloralose anesthetized rats with T2*-weighted imaging:distinction between the representation of the forepaw and hindpaw in the somatosensory cortex. NMR Biomed,1998,11(3):115-119.

[8]Keilholz SD, Silva AC, Raman M, et al. Functional MRI of the rodent somatosensory pathway using multislice echo planar imaging. Magn Reson Med, 2004,52(1):89-99.

[9]Goloshevsky AG, Silva AC, Dodd SJ, et al. BOLD fMRI and somatosensory evoked potentials are well correlated over a broad range of frequency content of somatosensory stimulation of the rat forepaw. Brain Res, 2008,1195(2):67-76.

[10]Shih YY, Chang C, Chen JC, et al. BOLD fMRI mapping of brain responses to nociceptive stimuli in rats under ketamine anesthesia. Med Eng Phys, 2008,30(8):953-958.

[11]Dijkhuizen RM, Ren J, Mandeville JB, et al. Functional magnetic resonance imaging of reorganization in rat brain after stroke. Proc Natl Acad Sci U S A,2001,98(22):12766-12771.

[12]Peppiatt CM, Howarth C, Mobbs P, et al. Bidirectional control of CNS capillary diameter by pericytes. Nature,2006,443(7112):700-704.

[13]Van der Linden A, Van Camp N, Ramos-Cabrer P, et al. Current status of functional MRI on small animals:application to physiology, pathophysiology, and cognition.NMR Biomed, 2007,20(5):522-545.

[14]Hall CN, Attwell D. Neuroscience: Brain power. Nature,2008,456(7223):715-716.

[15]Keogh BP, Cordes D, Stanberry L, et al. BOLD-fMRI of PTZ-induced seizures in rats. Epilepsy Res, 2005,66(1-3):75-90.

[16]Shah YB, Haynes L, Prior MJ, et al. Functional magnetic resonance imaging studies of opioid receptor-mediated modulation of noxious-evoked BOLD contrast in rats.Psychopharmacology (Berl), 2005,180(4):761-773.

[17]Pelled G, Goelman G. Different physiological MRI noise between cortical layers. Magn Reson Med,2004,52(4):913-916.

[18]Pawela CP, Biswal BB, Cho YR, et al. Resting-state functional connectivity of the rat brain. Magn Reson Med,2008,59(5):1021-1029.

[19]Jasanoff A. Bloodless fMRI. Trends Neurosci, 2007,30(11):603-610.

[20]Luo Q, Lu H, Lu H, Senseman D, Worsley K, Yang Y,Gao J-H. Physiologically evoked neuronal current MRI in a bloodless turtle brain: detectable or not? NeuroImage,2009, 47(4):1268-1276.

[21]Jin T, Zhao F, Kim SG. Sources of functional apparent diffusion coefficient changes investigated by diffusionweighted spin-echo fMRI. Magn Reson Med, 2006,56(6):1283-92.

[22]Lin YJ, Koretsky AP. Manganese ion enhances T1-weighted MRI during brain activation: an approach to direct imaging of brain function. Magn Reson Med, 1997,38(3):378-88.