恒河猴急性酒精暴露顳葉靜息態(tài)腦功能改變9.4T MRI初步研究

李 燕，王海寶，余永強(qiáng)，王 松，錢俊超，鐘 凱

隨著神經(jīng)影像學(xué)的發(fā)展，高場強(qiáng)磁共振設(shè)備的應(yīng)用為酒精腦損傷腦功能研究提供了強(qiáng)有力的設(shè)備支持。目前， 3 T以上高場強(qiáng)磁共振應(yīng)用于人類腦功能研究仍然處于探索階段，Hetherington et al[1]研究表明通過適當(dāng)?shù)姆椒梢允褂?T磁共振波譜成像進(jìn)行海馬損傷檢測。雖然3T靜息態(tài)功能磁共振成像(resting state functional magnetic resonance imaging ,rs-fMRI)研究恒河猴和人類急性酒精腦功能變化已有報道[2-3]，但是9.4T高場強(qiáng)的非人靈長類動物急性酒精腦功能研究鮮有報道。早前研究[4]顯示非人靈長類動物默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN)具有自身的特點比如視覺皮層和顳上回部分腦區(qū)只在非人靈長類動物DMN中出現(xiàn)。針對恒河猴顳上回的特點，該實驗采用9.4T rs-fMRI基于分?jǐn)?shù)低頻振蕩幅度(fractional amplitude of low frequency，fALFF)分析恒河猴酒精靜脈注射后急性期顳葉腦功能的改變，以探索新的研究方法和依據(jù)，現(xiàn)報道如下。

1 材料與方法

1.1實驗對象及設(shè)計健康雄性恒河猴5只，無長期酒精接觸史。年齡6歲，體質(zhì)量7.40～13.80 kg。實驗方法為給酒精前后自身對照[2]。詳細(xì)實驗過程：首先將恒河猴用3 %戊巴比妥鈉肌肉注射誘導(dǎo)麻醉，劑量1 ml/kg，誘導(dǎo)期約20 min(視情況適當(dāng)加量，總用藥量小于1.5 ml/kg)，于踝上小腿部靜脈放置留置針，確定動物達(dá)麻醉狀態(tài)后運送至掃描室，擺好體位，采用面罩給予氣體麻醉(異氟烷氣體1.5% ～2%麻醉維持)，接顯示器對呼吸進(jìn)行監(jiān)控。先進(jìn)行一次血氧水平依賴性(blood oxygen level dependent, BOLD)和3D結(jié)構(gòu)像掃描，以獲取自身對照組數(shù)據(jù)，然后按0.44 g/kg的劑量靜脈給藥，該過程約5 min。給藥后10 min進(jìn)行第二次BOLD掃描。整個掃描過程約1 h，實驗結(jié)束后將恒河猴送回動物房，保持其呼吸道通暢，恒河猴清醒后6 h予以進(jìn)食。本實驗共成功進(jìn)行5只恒河猴9.4T rs-fMRI數(shù)據(jù)采集。

1.2實驗掃描參數(shù)掃描設(shè)備為Agilent 9.4T/400 mm大孔徑動物磁共振掃描儀，體線圈和4通道相控陣線圈分別進(jìn)行信號發(fā)射和接收。靜息態(tài)功能像血氧水平依賴EPI 4次激發(fā)全腦軸位掃描，回波時間(echo time, TE)9.8 ms，重復(fù)時間(repetition time,TR)500 ms，偏轉(zhuǎn)角度(flip angle, FA)90°，視野(field of view, FOV)90 mm×90 mm，矩陣64×64，層厚2.5 mm，層距0 mm，層數(shù)20；軸位3D解剖圖像采用快速擾相梯度序列掃描，TE 3.7 ms，TR 9 ms，F(xiàn)A 8°，F(xiàn)OV 90 mm×90 mm；矩陣192×192，層厚0.5 mm，層數(shù)192。

1.3圖像后處理使用MatLab 7.12(R2011a)dpabi子軟件DPARSF 3.2 for monkey data和SPM 12 fMRI數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；首先進(jìn)行圖像格式轉(zhuǎn)換，由DICOM格式換為NIFTI格式；去除前10個時間點數(shù)據(jù)；進(jìn)行頭動校正并將數(shù)據(jù)歸入112RM-SL_T1模板進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，以2 mm×2 mm×2 mm體素單元重采樣；然后進(jìn)行高斯半高全寬(3 mm)平滑處理；去線性漂移和低頻濾過處理，活動頻率范圍為0.01～0.08 Hz的低頻信號；使用Friston24去除協(xié)變量，包含去趨勢線、頭動參數(shù)、腦白質(zhì)、腦脊液信號等；計算并導(dǎo)出全腦fALFF值。以顳葉為興趣區(qū)將組間興趣區(qū)顳葉fALFF值有差異的腦區(qū)通過MRIcroN軟件顯示，后續(xù)通過MNI坐標(biāo)依據(jù)猴腦解剖圖譜確定差異腦區(qū)的具體位置[5-6]。

1.4統(tǒng)計學(xué)處理通過SPM 12軟件對恒河猴酒精組和自身對照組顳葉fALFF值進(jìn)行配對樣本t檢驗，P<0.01(非校正)及簇叢≥5個體素為差異有統(tǒng)計學(xué)意義，通過MNI坐標(biāo)依據(jù)猴腦解剖圖譜確定差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)的具體位置。

2 結(jié)果

2.1差異腦區(qū)酒精組與自身對照組顳葉fALFF值差異有統(tǒng)計學(xué)意義腦區(qū)見表1。

2.2差異腦區(qū)具體位置酒精組顳葉fALFF值低于自身對照組的腦區(qū)為左側(cè)顳上回、左側(cè)顳中回、左側(cè)顳下回，酒精組顳葉fALFF值高于自身對照組的腦區(qū)為右側(cè)顳上回、右側(cè)顳葉海馬旁回、左側(cè)顳下回，簇叢均≥5個體素，見圖1。

表1 酒精組與自身對照組顳葉fALFF值相比差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)

P<0.01及簇叢≥5個體素為差異有統(tǒng)計學(xué)意義

圖1 酒精組與自身對照組顳葉fALFF值比較差異有統(tǒng)計學(xué)意義的腦區(qū)

3 討論

神經(jīng)影像學(xué)檢查設(shè)備的不斷更新，促使成像方法亦得到不斷發(fā)展， rs-fMRI的出現(xiàn)使得對“活體”大腦靜止?fàn)顟B(tài)下的復(fù)雜功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確描述成為可能[7]，由此對人類腦功能的研究取得了很大進(jìn)展。rs-fMRI中BOLD信號與神經(jīng)血管及血流動力學(xué)機(jī)制密切有關(guān)，高的低頻振幅(amplitude of lowfrequency fluctuation,ALFF)值表明該腦區(qū)自發(fā)神經(jīng)活動更高，在去除心跳和呼吸的影響后fALFF可以更準(zhǔn)確地描述[8-9]。進(jìn)一步研究[10]顯示BOLD信號對血管活性物質(zhì)如酒精非常敏感，因此利用BOLD信號探討急性酒精暴露對大腦神經(jīng)功能影響是可行的。基于前述的各種研究結(jié)果，目前使用rs-fMRI BOLD信號fALFF算法進(jìn)行酒精腦功能改變研究技術(shù)已經(jīng)成熟。

酒精對神經(jīng)系統(tǒng)的影響是廣泛的，不僅多個神經(jīng)遞質(zhì)受到影響, 在細(xì)胞水平亦有所改變，酒精可以使細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運功能發(fā)生變化，因此急性酒精暴露后便會立即引起腦神經(jīng)元活動異常和局部腦血流量的改變，酒精神經(jīng)系統(tǒng)作用與情感、記憶處理、認(rèn)知和感覺運動功能關(guān)系密切[11]。動物實驗將許多人為不可控因素的影響降到很小，研究[4]證明恒河猴與人類的DMN具有相似性，在麻醉狀態(tài)下DMN網(wǎng)絡(luò)連接的完整性仍然存在。因此，恒河猴急性酒精暴露腦損傷模型對人類急性酒精腦損傷研究具有重要價值。

Telesford et al[4]研究顯示恒河猴靜脈注射1g/kg劑量酒精10 min后，靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了顯著改變。丁兆明 等[2]使用3T rs-fMRI對恒河猴研究顯示，靜脈注射0.44 g/kg劑量酒精10 min后腦功能的改變具有全腦效應(yīng)，其中涉及顳葉的腦區(qū)共5個點(P<0.01、簇叢≥3個體素)：減低為右側(cè)顳中回、左側(cè)顳上溝，增強(qiáng)為雙側(cè)顳下回、左側(cè)顳葉海馬旁回。本組研究顯示靜脈注射0.44 g/kg劑量酒精10 min后，恒河猴顳葉腦功能改變明顯，涉及兩側(cè)顳葉共8個點(P<0.01、簇叢≥5個體素)，有fALFF減低和增加等不同功能改變，減低的顳葉腦區(qū)為左側(cè)顳上回、左側(cè)顳中回、左側(cè)顳下回，增強(qiáng)的顳葉腦區(qū)為右側(cè)顳上回、右側(cè)顳葉海馬旁回、左側(cè)顳下回。通過對比看出在相同實驗設(shè)計下，9.4T rs-fMRI的功能改變檢出點要多于3T rs-fMRI，而且檢出簇從數(shù)較大，這主要是得益于9.4T更高的信噪比和分辨率。

前期研究[7]表明大腦獎賞網(wǎng)絡(luò)和腹側(cè)視覺系統(tǒng)受到酒精干擾可以引起情緒改變和視覺功能降低，顳葉調(diào)節(jié)包括視覺與聽覺，顳中、下回以處理視覺信息為主，顳上回有邊緣關(guān)聯(lián)整合功能，顳上回的功能還涉及語義記憶[12]。本研究表明靜脈注射酒精急性期即出現(xiàn)雙側(cè)顳葉多個腦回功能改變，其中左側(cè)顳下回呈混合性改變。李子朋 等[3]研究健康成年人飲酒后30 min大腦靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生廣泛性改變，并提出飲酒后顳上回等腦區(qū)功能增強(qiáng)與酒精依賴可能有關(guān)的推測，本研究亦表明顳上回為恒河猴酒精急性期腦功能影響靶點區(qū)域。

酒精急性期腦功能靶點的研究可以為后續(xù)酒精成癮機(jī)制研究提供動態(tài)跟蹤依據(jù)。Weber et al[13]通過健康男性飲酒研究表明飲酒后DMN連接隨著時間有不同變化，急性酒精暴露對腦灌注的影響亦存在個體差異、劑量依賴性和區(qū)域性差異[14]，給藥方式和檢測時間點不同，會有不同的腦功能改變。不同的腦區(qū)對酒精的敏感度不同，急性期腦活動及血流量改變越明顯，經(jīng)歷長期飲酒過后結(jié)構(gòu)及功能損傷程度會越明顯[15]。一項通過超過30年大腦結(jié)構(gòu)和功能的重復(fù)測量表明，即使在中等水平飲酒，也會導(dǎo)致大腦的不良結(jié)果[16]。所以酒精急性腦功能改變檢出點越多，對于后續(xù)酒精腦損傷動態(tài)研究的靶點選擇具有重要意義，9.4T rs-fMRI可以檢測出更多的功能改變點，在非人靈長類動物模型研究中具有明顯優(yōu)勢。

本研究經(jīng)過預(yù)實驗掃描參數(shù)的調(diào)整、設(shè)置，成功完成實驗序列掃描5只猴子，動物模型掃描后無明顯異常行為表現(xiàn)，說明利用9.4T rs-fMRI進(jìn)行非人靈長類動物模型的酒精性腦功能損傷研究是安全的，為非人靈長類動物酒精模型的研究提供了新的方法。

本研究的不足在于樣本量較少，雖然9.4T磁共振信噪比及分辨率高，但是受到線圈限制研究興趣區(qū)不能覆蓋全腦，后續(xù)研究可增加樣本量，改進(jìn)線圈及掃描參數(shù)，進(jìn)行全腦研究。

綜上所述，利用9.4T rs-fMRI進(jìn)行恒河猴急性酒精暴露顳葉腦功能改變研究是安全可行的，為后續(xù)的非人靈長類動物酒精模型研究提供了新的方法；恒河猴急性酒精暴露顳葉腦功能改變明顯，右側(cè)增強(qiáng)，左側(cè)以減低為主，其中左側(cè)顳下回呈混合性改變。