功能磁共振成像和正电子发射断层摄影技术在麻醉学研究中的应用.doc

功能磁共振成像和正电子发射断层摄影技术在麻醉学研究中的应用刘真真 于布为 张富军 薛庆生 赵欣 罗艳【摘要】 功能影像学的发展，特别是功能磁共振成像和正电子发射断层摄影技术的不断成熟和广泛应用，为我们在全麻药物作用机制及疼痛等的研究中提供了新的技术方法。对全麻机制的研究结果表明全麻药不但能使大脑某些区域的神经元活性降低，还能使部分区域的神经元活性增强。其中丘脑是活性降低的主要区域，扣带前回和岛叶是活性增强的主要区域。而正电子发射断层摄影技术在大脑受体系统研究中的独特应用，直接证实了大脑的GABAA受体参与介导全麻药在人体内发挥作用的机制，后者产生的神经抑制过程又并非仅有GABAA受体的参与，而是一个更加复杂的过程。在疼痛研究中的结果表明，阿片类镇痛药能使痛觉感受相关区域（扣带前回、岛叶和丘脑）的活性降低，同时使参与痛觉调节的相关区域（扣带回-额前皮质、中脑导水管周围灰质）活性增强。【关键词】 功能磁共振成像；正电子发射断层摄影技术；局部脑血流量；受体；疼痛The Application of fMRI and PET in the Study of AnesthesiaLIU Zhen-zhen，YU Bu-wei，ZHANG Fu-jun，XUE Qing-sheng，ZHAO Xin，LUO YanAbstract With the development of functional imaging, especially the wide use of functional magnetic resonance imaging and positron emission tomography, the studies of anesthesia have progressed a lot in the mechanism of general anesthesia and pain. The results provided by the studies of general anesthesia mechanisms show that the general anaesthetics can drease the neuronal activities in some cerebral areas and increase in some other regions. Generally speaking, the regional cerebral blood flows in the anterior cingulate cortex and insula are raising, while in the thalamus is decreasing. The special application of positron emission tomography in the cerebral receptor system confirmed that effects of anaesthetics in vivo are mediated partly through GABAergic mechanisms. And the results got from pain studying show that opioid analgesia decreases the neuronal activity in the regions linked to pain perception(cingulate cortex, insula and thalamus) and increases neuronal activity in the regions linked to pain modulation (cingulo-frontal cortex and the peri-aqueductal gray matter).Key words fMRI；PET；rCBF；receptor；pain 近年来，随着功能影像学技术的不断改进和发展，越来越多的研究人员将其应用到各个领域，麻醉学也不例外。功能影像学的介入，不但使我们对全麻药物作用机理有了全新的认识，而且为研究全麻药对大脑受体系统的调节作用提供了新的技术手段，同时也为疼痛的研究注入了新的活力。功能影像学技术种类较多，目前在麻醉研究中应用最广泛的是功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）和正电子发射断层摄影技术(positron emission tomography, PET)。二者主要是通过对局部脑血流量(regional cerebral blood flow, rCBF)或局部脑葡萄糖代谢率(regional cerebral metabolic rate of glucose, rCMRGlu)等的检测来评价大脑的功能活动状态。本文就近年来这两种技术在麻醉学研究中的主要应用作一综述。1. fMRI和PET的工作原理1.1 fMRIfMRI是从20世纪90年代初，在传统MRI的基础上发展起来的。fMRI的出现标志着临床磁共振诊断从单一形态学研究，到形态与功能相结合的系统研究的转变1。fMRI的方法很多，有注射造影剂、灌注加权及血氧水平依赖（blood oxygenation level dependent，BOLD）效应成像等。目前应用最广泛的是BOLD效应成像法。其原理是当局部脑区的神经元功能活动对局部脑氧耗量和局部脑血流量的影响程度不匹配时，局部的磁场性质会发生变化。当周围神经受刺激时，相应的皮层中枢会被激活，神经元活动增加，导致局部脑血流量的增加，但相比之下，局部脑耗氧量的增加并不明显，这使氧供的增加远大于氧耗，从而导致该区域去氧血红蛋白与氧合血红蛋白的比例发生改变，而由于两者的磁化性质不同，其比例的改变又会导致磁场信号强度的变化，即神经元兴奋性的改变能引起局部T2加权像信号强弱的改变。fMRI正是通过检测这种变化对脑组织进行功能成像，从而对脑在生理或病理状态下的功能活动进行有效的评价2。目前，fMRI正发展成为一种研究大脑的药物效应及可塑性的有效工具。1.2 PETPET是一种核医学影像技术，通过给受试者静脉注射放射性同位素示踪剂，使其聚集在特定的组织器官或某一区域，经过PET扫描仪探测，对其所获得的信号进行计算机处理后，重建为断层显影。如用18F标记脱氧葡萄糖（18FDG）来检测rCMRGlu、用15O 标记的水（H215O）来检测rCBF 等（Table 1）3，4。由于18F 的半衰期比较长（110分钟），对PET的执行有一定的影响，许多对大脑局部活动的研究都选择检测rCBF5。Table 1 PET的放射性示踪剂及其检测指标示踪剂检测指标15OCO2, 15OH2O脑血流量15OO2脑氧耗量15OCO脑血容量18FFDG脑葡萄糖代谢率11Cdeprenyl单胺氧化酶6-18FDOPAO-11Cmethyl-L-tyrosine多巴胺综合物11CCFT多巴胺转运蛋白11CDTBZ囊状单胺转运蛋白211CNMSP11Craclopride多巴胺D2 受体11CSCH23390多巴胺D1 受体11Cflumazenil中枢苯二氮卓类受体11CPK11195外周苯二氮卓类受体11CSA4503Sigma1 受体11C3NMPB毒蕈碱乙酰胆碱受体11Cdoxepin组胺H1 受体11CMPDX阿糖腺苷A1受体11CTMSX阿糖腺苷A2A受体11CverapamilP-糖蛋白11CPIB11CBF-227淀粉样蛋白11Cmethionine氨基酸代谢2. fMRI和PET在麻醉研究中的应用fMRI和PET均可用于评价脑的功能活动，而且两者在同一种全麻药的研究中所得到的结果也是大致相同的。但两者还存在一定的差别。fMRI具有很高的空间分辨率（0.55mm）6，而且不需要注入外源性的放射性示踪剂，因此可以在无创情况下反映实验对象脑内运作的实况，为活体脑结构与功能之间的复杂关系提供了一种直观有效的研究途径，但其缺点是不能用于大脑分子水平的研究。PET虽然对机体有一定的放射性损伤，而且其空间分辨率(2mm) 7没有fMRI高，但它可通过对CBF和CMRGlu变化、分子代谢和受体结合能力等的检测应用于神经系统特别是脑的分子水平的研究4。可见，这两种技术还是各有利弊、相互补充的。2.1全麻药物作用机制的研究fMRI及PET的出现使活体内研究药物对大脑局部活性的变化成为可能，也使得我们的研究重心从全脑逐渐转变为对局部脑血流量及局部脑代谢的监测，其高度的空间和时间分辨率使我们对全麻机制的认识发生了巨大的改变。而PET在受体领域中的广泛应用，更使我们对全麻药物作用于大脑受体系统的机制有了更深入的了解。2.1.1 吸入麻醉药2.1.1.1 异氟醚L.SCHLUNZEN等人用PET检测了异氟醚吸入浓度分别为0.2，0.4和1.0MAC时的脑血流量，发现在不同浓度时全脑血流量并无明显改变，但有带状前回rCBF的明显增加及小脑rCBF的减少，并与异氟醚的吸入浓度有关。在0-0.2 MAC时，异氟醚可显著增加额内侧回和伏核的rCBF，0.2-0.4MAC时出现尾状核rCBF的增加及舌回、楔叶rCBF的减少，0.4-1.0MAC时有岛叶rCBF的显著增加及丘脑、舌回和楔叶rCBF的明显减少8。有人用fMRI研究了异氟醚在亚麻醉浓度时（0.42%），视觉刺激对人脑活性的影响，其结果与上面的大致相同，发现只有特定的区域而非全脑会发生功能活性的变化。异氟醚能显著降低岛叶前上部、左侧和右侧顶内沟的活性，而在1.3%浓度时感觉刺激不会使人脑的躯体感觉皮层的活性发生改变，0.3%和2.0%浓度时视觉刺激也不会引起猴脑皮层活性的改变。可见，异氟醚引起的脑血流量的变化是与药物的吸入浓度密切相关的9,10,11。2.1.1.2 七氟醚fMRI研究发现，吸入浓度为0.25MAC的七氟醚后，大脑皮质区会出现rCBF的减少，皮质下区会出现rCBF的增加，与疼痛调节有关的扣带回皮质和岛叶的rCBF也会增加12。另一研究发现，健康志愿者吸入浓度为0.25MAC的七氟醚后，主、次视皮质、丘脑及海马等区域的活性降低，这说明在达到亚麻醉浓度时，七氟醚主要作用于高位皮质联合区，而且是记忆相关区域13。PET研究显示在吸入0.7%和2.0%七氟醚时，丘脑的rCBF明显减少，扣带前回和岛叶的rCBF有显著增加14。其研究结果与fMRI基本一致。2.1.1.3 笑气和氙气PET研究显示吸入50%N2O不会导致全脑CMRGlu发生明显改变，但会造成基底核与丘脑的CMRGlu升高及小脑CMRGlu的降低，这种效果在中段N2O一小时后仍然存在15。Laitio RM用18FDG和H215O作为示踪剂检测了氙气在1.0MAC浓度下的rCMRGlu和rCBF，结果显示氙气麻醉可导致rCMRGlu均匀减少，而rCBF则在13个脑区中的7个出现减少，岛叶、带状前回、带状后回和躯体感觉皮层的rCBF/rCMRGlu比率升高16。Ruut M.Laitio 也发现1.0MAC浓度的氙气麻醉可导致灰质rCBF平均减少11.28.6%，白质rCBF平均增加22.113.6%。其中小脑、丘脑及顶叶皮质的rCBF明显减少，中央前回和中央后回的rCBF明显增加17。2.1.2静脉麻醉药2.1.2.1 丙泊酚 Pierre Fiset 以H215O作为示踪剂应用PET检测了泵注丙泊酚到不同血浆浓度时脑血流量的改变。发现丙泊酚可导致全脑血流量的普遍减少，其中变化显著的区域是双侧丘脑内侧、楔叶、楔前叶、扣带后回、眶额回及右侧角回18。同时，丘脑和中脑的血流量变化呈现显著的协同相关，说明二者在功能上有可能存在密切的联系。另一PET研究发现当丙泊酚血浆浓度为1.5g/ml时，全脑的CMRGlu减少，血浆浓度为2.5g/ml时，皮层下区特别是丘脑和海马区rCMRGlu显著减少19。一项fMRI研究了丙泊酚静脉麻醉刺激程序：清醒-镇静-意识消失-苏醒的动态过程中人脑血流量的改变，发现丙泊酚麻醉首先抑制下丘脑、额叶、颞叶区域，随后抑制丘脑区域，提示这些区域可能是丙泊酚麻醉作用的靶位20。2.1.2.2 咪达唑仑 PET研究表明，咪达唑仑不仅可以造成全脑血流量的普遍减少，而且可以使额前皮质、额上回、带状前回、顶颞联合区、岛叶皮质及丘脑的rCBF出现明显的减少21，22。这些区域（特别是额前皮质）参与唤醒和记忆的发生过程，这提示咪达唑仑很有可能是通过作用于大脑的这些特定区域而产生遗忘效应的22,23。2.1.2.3 氯胺酮一项关于氯胺酮的fMRI研究，动态观察了氯胺酮从清醒-镇静-意识消失-苏醒的的过程中脑功能的变化，其结果显示：氯胺酮影响的是感觉皮层及运动皮层，这些区域信号的变化是同步的；丘脑和扣带回与睡眠的调节密切相关，提示氯胺酮产生的意识消失都是通过对丘脑、皮层上与觉醒和记忆相关脑区神经活动的结果24。楔叶、前楔叶、后扣带回和右侧角回rCBF反而上升。2.1.2.4 吗啡Lino Becerra的一项关于吗啡的fMRI研究认为，吗啡不会造成全脑血流量的明显变化，但会使额前皮质的背外侧、颞叶、顶下小叶、带状前回的rCBF减少，同时伴有眶回和海马区rCBF的增加。除了带状前回以外，这些区域的改变都是双侧、对称的25。过去我们一直认为全麻药只会降低神经元的活性，即表现为rCBF或rCMRGlu的减少，但现今的研究结果表明全麻药不但能使部分神经元活性降低，还能使某些区域的神经元活性增强。一般来说，丘脑是活性降低的区域，扣带前回和岛叶是活性增强的区域，而丘脑、海马等区又是记忆相关区域，扣带前回与岛叶参与疼痛的发生过程。因此，全麻药很有可能是通过作用于大脑中的这些特定区域，来实现其对机体记忆和疼痛的抑制作用的。fMRI和PET对同一种药物的研究结果是大致相同的，这些结果无疑使我们对各种全麻药作用于大脑的机制有了更进一步的了解，有利于指导我们今后工作的顺利进行。2.1.3 受体FMRI是通过对BOLD和rCBF变化的检测对大脑活性进行间接评估，而PET则可以通过放射性标记配体与相应受体特异结合的原理，在活体内直接对神经受体进行功能分析和显像，检测神经化学物质的改变26。虽然PET的空间分辨率低于fMRI，但其在活体内受体的研究及生理参数变量的绝对值等研究中的作用确是独一无二的。1985年，Frost第一次用-阿片受体阻断剂11CCAF成功完成了对阿片受体的PET研究，从此，人们开始用PET重新审视中枢神经系统的受体。以往许多体外研究表明，GABA受体很有可能参与全麻药物的作用机制。如今，我们可以用11C标记苯二氮卓类受体的阻断剂氟马西尼作为PET的示踪剂，直接判定大脑的GABAA受体参与全麻药物的作用机制。在用该技术研究异氟烷麻醉下GABA受体的变化时发现，脑内GABAA受体的密度明显增加，而且脑内GABAA受体的浓度在1.5MAC时比在1.0MAC时高得多，这说明异氟烷能使GABAA受体与配体的结合明显增加，并呈剂量依赖性27。这也证实了GABAA受体参与介导挥发性麻醉药在人体内发挥作用。Gyulai对狒狒的一项研究表明，氟烷麻醉状态下，CMRGlu会出项局部减少，而这与GABAA受体的密度并没有直接的联系。GABAA受体的拮抗剂蝇蕈醇也可以使全脑出现几乎相同程度的CMRGlu降低，当氟烷与蝇蕈醇合用时，CMRGlu降低的程度加大。由蝇蕈醇导致的CMRGlu的降低及氟烷与蝇蕈醇合用时导致的CMRGlu的降低都显示出与GABAA受体的密度密切相关。这说明GABAA受体参与氟烷的神经抑制过程，但氟烷产生作用又并非仅有GABAA受体的参与，而是一个更加复杂的过程28。过去的大多数研究都是对受体与配体的结合进行静态检测，近年来有人开始对阿片受体在不同状态下的活性变化进行动态观察29,相信这会使我们对大脑受体系统有更进一步的了解。2.2 疼痛大量研究表明，痛觉与前脑的某些区域有直接联系，但人们对麻醉期间疼痛刺激是如何向这些部位传导的却不是十分了解。随着功能影像学技术的发展，人们对逐渐发现，在麻醉过程中大脑有很多区域被疼痛刺激激活。其中最常被激活的区域是第一和第二躯体感觉区、岛叶皮质、扣带前回、丘脑、基底核、中脑等30,31,32。Frank Seifert用fMRI研究了冷刺激对大脑活性的影响，发现岛叶皮质、前额背外侧皮质与扣带前回在机体受到冷刺激时信号增强33. 这与Richard G Wise对热刺激进行fMRI研究，所得到的结果大致相同34。Christian Maihofner对健康受试者施以机械刺激，结果显示对侧的第一躯体感觉皮层和顶叶联合皮层、双侧的第二躯体感觉皮层及岛叶区均被激活35。PET研究发现，毛刷诱导的疼痛刺激可以激活受试者对侧的眶额皮质及同侧岛叶皮质，而不会导致疼痛的普通毛刷刺激则会使对侧岛叶皮质、对侧初级躯体感觉皮质、前额及后顶叶活化。Nanna Witting等人发现，慢性疼痛病人的扣带前回、第一和第二躯体感觉皮层活性降低，前岛和额前皮质活性增加36。慢性背痛的病人，其疼痛的剧烈程度还与额前皮质的活性有一定的相关性37。Wagner KJ等人对实验诱导的急性疼痛的PET研究表明，疼痛刺激可造成扣带前回、岛叶和丘脑等区的rCBF增加，应用镇痛药后，这些区域的rCBF明显减少，但扣带回-额前皮质和中脑导水管周围灰质的rCBF却增加（疼痛调节相关区域）。这说明阿片类镇痛药能使痛觉感受相关区域的活性降低，同时使参与痛觉调节的相关区域活性增强38。3. 结论及进展fMRI已经在麻醉研究的应用中取得了很多突破性的研究成果，但仍存在优化和扩展的问题。普通的fMRI尚存在一定的缺点，比如：分析数据耗时较长、信噪比较低等。为解决这些问题，近年来人们不断改进fMRI的信息采集技术，提高其加工处理信号的效率，使其灵敏度和分析速度都明显增加，甚至可以对数据进行实时分析和显示，即当前的实时功能磁共振成像（real-time fMRI，rtfMRI）。rtfMRI有很高的空间和时间分辨率，可使我们得到BOLD信号的即时反馈，了解局部大脑活动的自身调节39。另外，目前fMRI还有一种新的发展趋势，就是将fMRI与其他技术联合，如PET，CT，脑电图及脑磁图等，以得到更多更准确的脑功能性活动信息。PET不仅可以通过对局部脑血流量及分子代谢的检测来评价大脑的功能活性，其配体技术更使研究麻醉对人脑受体系统的调节成为可能。依据其高度的生化选择性，我们可以在神经递质为纳摩尔至皮摩尔的浓度下对神经传导过程进行研究，还可以设计一些放射性示踪剂与特殊的靶分子相结合（如参与神经递质合成代谢的受体或蛋白质等），用于对大脑分子水平的研究2。总之，功能影像学技术的逐渐成熟和广泛应用必定会促使麻醉学研究不断前进和发展。参 考 文 献1. 刘登堂,江开达,徐一峰.功能性磁共振成像在精神科的应用.中华精神科杂志,2001;34:49-512. Heinke W, Schwarzbauer C. In vivo imaging of anesthetic action in humans: approaches with positron emission tomography(PET) and functional magnetic resonance imaging (fMRI).Br J Anaesth,2002;89:112-1223. Ramani,Ramachandran,Wardhan,et al. Understanding anesthesia through functional imaging.Anesthesiology,2008;21:5305364. Masahiro Mishina. Positron Emission Tomography for Brain Research.J Nippon Med Sch, 2008;75:68-765. Herscovitch P. Can.15Owater be used to evaluate drugs? J Clin Pharmacol, 2001, 41:11-20 6. Goodyear BG, Menon RS. Brief visual stimulation allows mapping of ocular dominance in visual cortex using fMRI. Hum Brain Mapp,2001;14: 210-2177. Budinger TF.PET instrumentation: what are the limits? Semin Nucl Med, 1998;28: 247-2678. L.SCHLUNZEN. Effects of dose-dependent levels of isoflurane on cerebral blood flow in healthy subjects studied using positron emission tomography. Acta Anaesthesiol Scand, 2006;50:3063129. Antognini JF, Buonocore MH, Disbrow EA, et al. Isoflurane anesthesia blunts cerebral responses to noxious and innocuous stimuli: a fMRI Study. Life Sci,1997;61: 349-35410.Logothetis NK, Guggenberger H, Peled S, et al. Functional imaging of the monkey brain. Nat Neurosci,1999;2:555-56211.Heinke W, Schwarzbauer C, et al. Subanesthetic isoflurane affects task-induced brain activation in a highly specific manner.Anesthesiology,2001;94:973-98112.P.Reinstrup, E.Ryding, T.Ohlsson,et al. Regional cerebral metabolic rate (positron emission tomography)during inhalation of nitrous oxide 50% in humans. Br J Anaesth, 2008;100:667113.Laitio RM. The effects of xenon anesthesia on the relationship between cerebral glucose metabolism and blood flow in healthy subjects: a positron emission tomography study. Anesth Analg,2009;108:593-60014.L.SCHLUNZEN, M.S.VAFAEE, G.E.COLD, et al. Effects of subanaesthetic and anaesthetic doses of sevoflurane on regional cerebral blood flow in healthy volunteers. A positron emission tomographic study. Acta Anaesthesiol Scand, 2004;48:1268-127615. Qiu M, Ramani R, Swetye M. Spatial nonuniformity of the resting CBF and BOLD responses to sevoflurane: in vivo study of normal human subjects with magnetic resonance imaging. Hum Brain Mapp,2008;29:1390-139916. Ramani R, Qiu M, Constable RT, et al. Sevoflurane 0.25 MAC preferentially affects higher order association areas: a functional magnetic resonance imaging study in volunteers. Anesth Analg,2007;105:648-65517.Ruut M.Laitio, Kaike K.Kaisti, Jaakko W. Langsjo. Effects of Xenon Anesthesia on Cerebral Blood Flow in Humans-A Positron Emission Tomography Study.Anesthesiology,2007; 106:1128-3318.Pierre Fiset, Tomas Paus, Thierry Daloze. Brain Mechanisms of Propofol-Induced Loss of Consciousness in Humans: a Positron Emission Tomographic Study. The Journal of Neuroscience,1999;19:5506-551319.X SUN,H ZHANG,C GAO. Imaging the Effects of Propofol on Human Cerebral Glucose Metabolism Using Positron Emission Tomography. The Journal of International Medical Research, 2008;36:1305-131020.张惠,徐礼鲜,葛雅丽.丙泊酚人脑中枢作用部位的功能磁共振成像分析.临床麻醉学杂志，2007;23:38-4021.Herscovitch P, Markham J, Raichle ME. Brain blood flow measured with intravenous H215O.I.Theory and error analysis. J Nuclear Med, 1983;24:782-78922.Veselis RA, Reinsel RA, Beattie BJ, et al. Midazolam changes cerebral blood flow in discrete brain regions. Anesthesiology,1997;87:1106-111723.Paus T. Functional anatomy of arousal and attention systems in the human brain. Prog Brain Res,2000;126:65-7724.孙绪德,张惠,徐礼鲜.氯胺酮麻醉对犬脑功能影响的fMRI显像研究.第四军医大学学报,2007; 28:172-17425.Lino Becerra, Kim Harter, R. Gilberto Gonzalez, et al .Functional Magnetic Resonance Imaging Measures ofthe Effects of Morphine on Central Nervous System Circuitry in Opioid-Naive Healthy Volunteers. ANESTHESIA and ANALGESIA,2006;103:208-21626.CHEN Fu-yong, TAO Wei, LI Yong-jie. Advances in brain imaging of neuropathic pain. Chinese Medical Journal,2008;121(7):653-65727.Gyulai FE, Mintun MA, Firestone LL. Dose-dependent enhancement of in vivo GABA(A)- benzodiazepine receptor binding by isoflurane. Anesthesiology,2001;95:585-59328.Gyulai FE, Firestone LL, Mintun MA. Halothane potentiates GABAA receptor-mediated metabolic depression in vivo: a Positron emission tomography and functional magnetic resonance imaging positron emission tomography (PET) study. The Sixth International Conference on Molecular and Basic Mechanisms of Anesthesia, Book of Abstracts, 2001; 5B09:4529.Gjermund Henriksen1,Frode Willoch. Imaging of opioid receptors in the central nervous system.Brain,2008;131:1171-119630.Apkarian AV, Bushnell MC, Treede RD, et al. Human brain mechanisms of pain perception and regulation in health and disease. Eur J Pain,2005;9:463-48431.R.Peyron, B.Laurent, L.Garcia-Larrea. Functional imaging of brain responses to pain: a review an