【關(guān)鍵詞】 氯胺酮；磁共振成像；麻醉；腦

fMRI study on effect of ketamine on cerebral function in dogs

【Abstract】 AIM: To study the changes of NMR signal intensity in dogs cerebral regions after ketamine application， and to investigate specific brain regions that are sensitive to the anesthetic. METHODS: Stimulation procedure was performed from consciousness， to sedation， to unconsciousness， and finally to analepsia. Scan lasted 60 Dy. Ketamine was injected at a dose of 2 mg/kg with a constant speed infusion pump. Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was applied during the entire experiment. A dynamic singleshot EPI sequence was used to perform BOLD functional MR imaging on a 1.5T Philips Gyroscan MR system and the Functool software was also used to analyze these images. RESULTS: For the ketamine anesthesia groups， the decreased signal intensity was observed at sensory cortex (r=0.79， 19.5%)， at motor cortex (r=0.81， 16.6%)， at thalamus (r=0.66， 4.5%)， and at callosal gyrus (r=0.68， 4.7%). The changes of signal intensity were synchonous. However， there was no significant change in other subcortex regions. CONCLUSION: Ketamine anesthesia suppressed such regions as sensory cortex， motor cortex， thalamus and callosal gyrus， which might be the key targets for ketamine action. 【Keywords】 ketamine; magnetic resonance imaging; Anesthesia; Brain

【摘要】 目的： 應(yīng)用磁共振成像技術(shù)，研究全麻藥氯胺酮對犬腦磁共振信號強(qiáng)度變化的影響，探索麻醉藥在腦內(nèi)的可能作用部位. 方法： 刺激程序采用清醒鎮(zhèn)靜意識消失蘇醒的動態(tài)過程，掃描為60個動態(tài). 氯胺酮麻醉按2 mg/kg通過采用恒速泵靜脈注射，用藥方式為輸注. 采用1.5T Philips Gyroscan 磁共振系統(tǒng)，運(yùn)用單次激發(fā)EPI掃描序列進(jìn)行腦功能BOLD法成像并應(yīng)用Functool軟件進(jìn)行功能分析. 結(jié)果： 氯胺酮麻醉可降低感覺皮層、運(yùn)動皮層的信號強(qiáng)度，其r值分別為0.79， 0.81，信號變化強(qiáng)度分別為19.5%， 16.6%；丘腦和扣帶回區(qū)信號也受到抑制，r值分別為0.66， 0.68，信號變化強(qiáng)度為4.5%， 4.7%. 上述4個區(qū)域信號的抑制變化過程同步；皮層下其他區(qū)域包括海馬基底節(jié)區(qū)未引出激活點(diǎn). 結(jié)論： 氯胺酮麻醉抑制感覺皮層、運(yùn)動皮層、丘腦和扣帶回區(qū)域信號強(qiáng)度，而這些區(qū)域則可能是氯胺酮作用的靶位. 【關(guān)鍵詞】 氯胺酮；磁共振成像；麻醉；腦

0引言

fMRI技術(shù)是把神經(jīng)活動和高分辨率磁共振成像技術(shù)完美結(jié)合，用解剖形態(tài)學(xué)方法進(jìn)行功能、代謝顯像綜合分析技術(shù)，它提供了在體研究各種刺激條件下局部腦功能變化的真實(shí)情況，因此，能直接在人體探索全麻藥的中樞作用部位，并且能夠獲得更加真實(shí)、可靠的信息. 與核醫(yī)學(xué)中PET， SPECT顯像技術(shù)相比，fMRI不僅具有更好的時間和空間分辨率，而且無創(chuàng)傷，不需要放射活性示蹤劑［1-4］. 本實(shí)驗(yàn)我們將應(yīng)用fMRI技術(shù)，從形態(tài)和功能相結(jié)合的角度研究吸入麻醉藥氯胺酮對犬腦的影響，以探明全麻藥在腦內(nèi)的敏感部位.

1對象和方法

1.1對象健康雜種雄性犬12只（第四軍醫(yī)大學(xué)西京醫(yī)院動物中心提供），體質(zhì)量(17±3) kg. 實(shí)驗(yàn)前8h禁食水，掃描前1h避免劇烈活動. 整個掃描過程為60個動態(tài)(Dy)，時間總計(jì)為18 min. 首先在清醒狀態(tài)下掃描(0～10 Dy)，隨后于靜脈注射氯胺酮，鎮(zhèn)靜期(10～20 Dy)，麻醉期(20～55 Dy)和蘇醒期(55～60 Dy)進(jìn)行連續(xù)動態(tài)掃描. 1.2方法麻醉誘導(dǎo)以維庫溴銨0.01 mg/kg肌注. 完成氣管雙腔插管，用英國百斯Frontline GeniusTM MRI麻醉呼吸機(jī)控制呼吸，進(jìn)入磁共振掃描室后平臥固定在掃描床上，頭部保持固定位置不動. 戴眼罩、耳塞以盡可能避免視覺和聽覺刺激，用磁共振成像系統(tǒng)內(nèi)置的監(jiān)護(hù)ECG， MAP， HR， SpO2， RR， 用PHILIPS Intellivue MP60監(jiān)護(hù)儀監(jiān)測腦電雙頻譜指數(shù)（BIS）、氯胺酮按2 mg/kg通過恒速泵靜脈輸入，注射時間為90 s，在20 Dy， 60 Dy時進(jìn)行鎮(zhèn)靜評分(OAA/S). 解剖及功能成像掃描層厚均為10 mm，間隔0 mm，首先使用TSE序列獲取二維圖像，矩陣256×256. 然后使用單次激發(fā)快速場回波(fast field echo， FFE)平面回波序列(EPI)，即FEEPI序列進(jìn)行BOLD成像，F(xiàn)OV300×300，掃描矩陣96×96，重建矩陣128×128. EPI掃描參數(shù)為:TRPTE=3000P50 ms，翻轉(zhuǎn)角90°. 掃描范圍包括顱頂至延髓，功能成像全部運(yùn)用自動勻場和抑脂技術(shù)(SPIR). 統(tǒng)計(jì)學(xué)處理： 將全部圖像數(shù)據(jù)傳入SUN工作站，采用Easy Vision(Release5.1)功能軟件包行BOLD圖像分析. 首先在ZSCORE視窗調(diào)節(jié)閾值(threshold)選取大腦激活點(diǎn)并逐個顯示其動態(tài)信號曲線，同時與理想?yún)⒖疾ㄐ蜗鄬φ眨ㄟ^BOLD ANALYSIS軟件包測試并記錄交叉相關(guān)系數(shù)(r值)，Z值，P值和信號變化強(qiáng)度，若相關(guān)系數(shù)>0.45，Z>4(P<0.001)，即說明該激活點(diǎn)與七氟醚麻醉有可靠的相關(guān)性，將該點(diǎn)疊加到解剖圖像上構(gòu)成功能激活圖像. 統(tǒng)計(jì)各激活點(diǎn)的位置、相關(guān)系數(shù)及信號變化強(qiáng)度，進(jìn)行比較分析. 本研究在各部位相關(guān)系數(shù)超過0.45， Z>4的激活點(diǎn)中尋找各個部位的具有最大信號強(qiáng)度變化值的點(diǎn)作為該部位信號強(qiáng)度變化值納入統(tǒng)計(jì)分析. 不同狀態(tài)下生理指標(biāo)的比較采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)的方差分析或Friedman檢驗(yàn).

2結(jié)果

2.1生理指標(biāo)的變化與清醒狀態(tài)時比較，鎮(zhèn)靜狀態(tài)下除OAA/S降低外(P<0.05)，MAP， HR和BIS等指標(biāo)均升高，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異. 而意識消失狀態(tài)下OAA/S評分降為零(P<0.05)，但BIS反而升高，MAP， RR和HR升高，均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異(表1).

表1氯胺酮對犬生理指標(biāo)的影響（略）

aP＜0.05 vs清醒狀態(tài)；cP＜0.05 vs鎮(zhèn)靜狀態(tài).

2.2氯胺酮麻醉腦敏感部位及信號參數(shù)統(tǒng)計(jì)12只犬均不同程度引出大腦相關(guān)部位激活點(diǎn). 氯胺酮麻醉可降低感覺皮層、運(yùn)動皮層的信號強(qiáng)度，其中感覺皮層的信號強(qiáng)度，出現(xiàn)頻率為12/12，平均r值為0.79，信號變化強(qiáng)度為(19.5±6.7)%；運(yùn)動皮層激活頻率為12/12，平均r值為0.81，平均變化強(qiáng)度為(16.6±5.7)%；丘腦激活的頻率為10/12，平均r值為0.66，信號變化強(qiáng)度為(4.5±2.5)%. 扣帶回激活的概率為10/12，平均r值為0.68，信號變化強(qiáng)度為(4.7±2.7)%. 感覺皮層、運(yùn)動皮層和丘腦和扣帶回信號抑制變化過程同步. 皮層下其它區(qū)域包括海馬、基底節(jié)區(qū)和下丘腦未引出激活點(diǎn)（圖1~4）.

圖1氯胺酮麻醉后感覺皮層信號強(qiáng)度變化(左側(cè)為功能解剖圖像，右側(cè)為信號變化曲線)（略）

圖2氯胺酮麻醉后運(yùn)動皮層信號強(qiáng)度變化(左側(cè)為功能解剖圖像，右側(cè)為信號變化曲線)（略）

圖3氯胺酮麻醉后丘腦信號強(qiáng)度變化(左側(cè)為功能解剖圖像，右側(cè)為信號變化曲線)（略）

圖4氯胺酮麻醉后扣帶回信號強(qiáng)度變化(左側(cè)為功能解剖圖像，右側(cè)為信號變化曲線)（略）

3討論 fMRI技術(shù)使得在無創(chuàng)的情況下能“看到”正常犬腦內(nèi)部工作的實(shí)況，為活體腦結(jié)構(gòu)和功能之間的復(fù)雜關(guān)系提供了一種直觀的有效研究途徑. BOLDfMRI檢測腦活性依賴于器官的血流的變化，局部腦皮質(zhì)通過外在特定的刺激后，局部腦血流(rCBF)增加，由于腦血流的增加超過了局部腦代謝的增加，導(dǎo)致局部脫氧血紅蛋白比率降低，從而使fMRI的信號增加. MRI檢測的信號可由計(jì)算機(jī)分析并根據(jù)不同的腦區(qū)標(biāo)記不同的顏色. 因此，fMRI可用于腦功能區(qū)的定位，并能夠準(zhǔn)確地反映大腦興奮灶的位置［1-4］. fMRI技術(shù)是通過一定刺激使相應(yīng)大腦功能區(qū)在磁共振成像儀上成像的方法，能無創(chuàng)地了解人腦的神經(jīng)反應(yīng)和作用機(jī)制，具有較好的定位性和時相性，已廣泛應(yīng)用于精神和神經(jīng)解剖等神經(jīng)科學(xué)研究［5-8］，但在麻醉機(jī)理研究領(lǐng)域中還未見報(bào)道. 本研究我們把氯胺酮麻醉作為一種刺激條件，整個掃描過程經(jīng)歷清醒―意識消失―蘇醒過程. 由于氯胺酮麻醉后可使特定區(qū)域神經(jīng)元的興奮性受到抑制，使得局部脫氧血紅蛋白的比率增加，導(dǎo)致fMRI的信號降低；隨著麻醉作用逐漸消失，fMRI的信號又逐漸升高. 通過這種信號的變化，就可以找到與氯胺酮麻醉作用相關(guān)的靶位. 氯胺酮在腦內(nèi)確切的作用部位還不清楚. 前面應(yīng)用的PET技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)靜狀態(tài)下全腦葡萄糖代謝沒有明顯的變化，在意識消失狀態(tài)下全腦葡萄糖代謝增加，本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用fMRI技術(shù)，動態(tài)地觀察了氯胺酮從清醒鎮(zhèn)靜意識消失蘇醒的過程中腦功能的變化，結(jié)果顯示：氯胺酮影響的是感覺皮層、運(yùn)動皮層，這些區(qū)域信號的變化是同步的，已知感覺皮層、運(yùn)動皮層是識別特異性信號刺激的基礎(chǔ)，皮層可能對信號刺激進(jìn)行最終的處理形成意識［9-11］；丘腦和扣帶回與睡眠的調(diào)節(jié)密切相關(guān)，提示氯胺酮的意識消失產(chǎn)生都是通過對丘腦、皮層上與覺醒和記憶相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)活動的結(jié)果. 雖然如此，仍然可以看出丘腦等皮層下結(jié)構(gòu)與麻醉藥物的作用密切相關(guān). 有資料顯示皮層下區(qū)域如丘腦、邊緣系統(tǒng)等對意識的不同水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，尤其是丘腦的特殊部位在保持和調(diào)節(jié)意識、警覺和注意方面起重要的作用. 綜合分析認(rèn)為丘腦和扣帶回等可能是氯胺酮作用的關(guān)鍵靶位.

【

［1］ Calamante F， Thomas DL， Pell GS， et al. Measuring cerebral blood flow using magnetic resonance imaging techniques［J］. J Cereb Blood Flow Metab， 1999，19(7):701-735.

［2］ Raichle M. Behind the scenes of functional brain imaging: A historical and physiological perspective［J］. Proc Natl Acad Sci USA， 1998，95(3):765-772.

［3］ Kaisti KK， Langsjo JW， Aalto S， et al. Effects of sevoflurane， propofol， and adjunct nitrous oxide on regional cerebral blood flow， oxygen consumption， and blood volume in humans［J］. Anesthesiology， 2003，99(3):603-613.

［4］ Noda A， Takamatsu H， Minoshima S，et al. Determination of kinetic rate constants for 2［18F］fluoro2deoxyDglucose and partition coefficient of water in conscious macaques and alterations in aging or anesthesia examined on parametric images with an anatomic standardization technique［J］. J Cereb Blood Flow Metab， 2003，23(12):1441-1447.

［5］ Peterson BS， Skudlarski P， Anderson AW， et al. A functional magnetic resonance imaging study of tic suppression in Tourette syndrome［J］. Arch Gen Psychiatry， 1998，55(4):326-633.

［6］ Stein EA， Pankiewicz J， Harsch HH， et al. Nicotineinduced limbic cortical activation in the human brain: A functional MRI study［J］. Am J Psychiatry， 1998， 155(8):1009-1015.

［7］ Antognini JF， Buonocore MH， Disbrow EA， et al. Iso flurane anesthesia blunts cerebral responses to noxious and innocuous stimuli: A fMRI study［J］. Life Sci， 1997，61(24):PL 349-354. ［8］ Martin E， Thiel T， Joeri P， et al. Effect of pentobarbital on visual processing in man［J］. Hum Brain Mapp， 2000，10(3):132-139.

［9］ Schmahmann JD， Sherman JC. The cerebellar cognitive affective syndrome［J］. Brain， 1998，121( Pt 4):561-579. ［10］ Audoin B， Ibarrola D， Duong MV， et al. Functional MRI study of PASAT in normal subjects［J］. MAGMA， 2005，11(1):120-125.

［11］ Grachev ID， Apkarian AV. Chemical mapping of anxiety in the brain of healthy humans［J］. Hum Brain Mapp， 2000，11(4):261-272.