【關鍵詞】 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： 應用磁共振成像技術，研究全麻藥氯胺酮對犬腦磁共振信號強度變化的影響，探索麻醉藥在腦內的可能作用部位. 方法： 刺激程序采用清醒鎮靜意識消失蘇醒的動態過程，掃描為60個動態. 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，運用單次激發EPI掃描序列進行腦功能BOLD法成像并應用Functool軟件進行功能分析. 結果： 氯胺酮麻醉可降低感覺皮層、運動皮層的信號強度，其r值分別為0.79， 0.81，信號變化強度分別為19.5%， 16.6%；丘腦和扣帶回區信號也受到抑制，r值分別為0.66， 0.68，信號變化強度為4.5%， 4.7%. 上述4個區域信號的抑制變化過程同步；皮層下其他區域包括海馬基底節區未引出激活點. 結論： 氯胺酮麻醉抑制感覺皮層、運動皮層、丘腦和扣帶回區域信號強度，而這些區域則可能是氯胺酮作用的靶位. 【關鍵詞】 氯胺酮；磁共振成像；麻醉；腦

0引言

fMRI技術是把神經活動和高分辨率磁共振成像技術完美結合，用解剖形態學方法進行功能、代謝顯像綜合分析技術，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、可靠的信息. 與核醫學中PET， SPECT顯像技術相比，fMRI不僅具有更好的時間和空間分辨率，而且無創傷，不需要放射活性示蹤劑［1-4］. 本實驗我們將應用fMRI技術，從形態和功能相結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（第四軍醫大學西京醫院動物中心提供），體質量(17±3) kg. 實驗前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(Dy)，時間總計為18 min. 首先在清醒狀態下掃描(0～10 Dy)，隨后于靜脈注射氯胺酮，鎮靜期(10～20 Dy)，麻醉期(20～55 Dy)和蘇醒期(55～60 Dy)進行連續動態掃描. 1.2方法麻醉誘導以維庫溴銨0.01 mg/kg肌注. 完成氣管雙腔插管，用英國百斯Frontline GeniusTM MRI麻醉呼吸機控制呼吸，進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，用磁共振成像系統內置的監護ECG， MAP， HR， SpO2， RR， 用PHILIPS Intellivue MP60監護儀監測腦電雙頻譜指數（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時進行鎮靜評分(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. 然后使用單次激發快速場回波(fast field echo， FFE)平面回波序列(EPI)，即FEEPI序列進行BOLD成像，FOV300×300，掃描矩陣96×96，重建矩陣128×128. EPI掃描參數為:TRPTE=3000P50 ms，翻轉角90°. 掃描范圍包括顱頂至延髓，功能成像全部運用自動勻場和抑脂技術(SPIR). 統計學處理： 將全部圖像數據傳入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視窗調節閾值(threshold)選取大腦激活點并逐個顯示其動態信號曲線，同時與理想參考波形相對照，通過BOLD ANALYSIS軟件包測試并記錄交叉相關系數(r值)，Z值，P值和信號變化強度，若相關系數>0.45，Z>4(P<0.001)，即說明該激活點與七氟醚麻醉有可靠的相關性，將該點疊加到解剖圖像上構成功能激活圖像. 統計各激活點的位置、相關系數及信號變化強度，進行比較分析. 本研究在各部位相關系數超過0.45， Z>4的激活點中尋找各個部位的具有最大信號強度變化值的點作為該部位信號強度變化值納入統計分析. 不同狀態下生理指標的比較采用隨機區組設計的方差分析或Friedman檢驗.

2結果

2.1生理指標的變化與清醒狀態時比較，鎮靜狀態下除OAA/S降低外(P<0.05)，MAP， HR和BIS等指標均升高，具有統計學差異. 而意識消失狀態下OAA/S評分降為零(P<0.05)，但BIS反而升高，MAP， RR和HR升高，均具有統計學差異(表1).

表1氯胺酮對犬生理指標的影響（略）

aP＜0.05 vs清醒狀態；cP＜0.05 vs鎮靜狀態.

2.2氯胺酮麻醉腦敏感部位及信號參數統計12只犬均不同程度引出大腦相關部位激活點. 氯胺酮麻醉可降低感覺皮層、運動皮層的信號強度，其中感覺皮層的信號強度，出現頻率為12/12，平均r值為0.79，信號變化強度為(19.5±6.7)%；運動皮層激活頻率為12/12，平均r值為0.81，平均變化強度為(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，信號變化強度為(4.7±2.7)%. 感覺皮層、運動皮層和丘腦和扣帶回信號抑制變化過程同步. 皮層下其它區域包括海馬、基底節區和下丘腦未引出激活點（圖1~4）.

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

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

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

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

3討論 fMRI技術使得在無創的情況下能“看到”正常犬腦內部工作的實況，為活體腦結構和功能之間的復雜關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檢測的信號可由計算機分析并根據不同的腦區標記不同的顏色. 因此，fMRI可用于腦功能區的定位，并能夠準確地反映大腦興奮灶的位置［1-4］. fMRI技術是通過一定刺激使相應大腦功能區在磁共振成像儀上成像的方法，能無創地了解人腦的神經反應和作用機制，具有較好的定位性和時相性，已廣泛應用于精神和神經解剖等神經科學研究［5-8］，但在麻醉機理研究領域中還未見報道. 本研究我們把氯胺酮麻醉作為一種刺激條件，整個掃描過程經歷清醒―意識消失―蘇醒過程. 由于氯胺酮麻醉后可使特定區域神經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的靶位. 氯胺酮在腦內確切的作用部位還不清楚. 前面應用的PET技術研究發現，鎮靜狀態下全腦葡萄糖代謝沒有明顯的變化，在意識消失狀態下全腦葡萄糖代謝增加，本實驗應用fMRI技術，動態地觀察了氯胺酮從清醒鎮靜意識消失蘇醒的過程中腦功能的變化，結果顯示：氯胺酮影響的是感覺皮層、運動皮層，這些區域信號的變化是同步的，已知感覺皮層、運動皮層是識別特異性信號刺激的基礎，皮層可能對信號刺激進行最終的處理形成意識［9-11］；丘腦和扣帶回與睡眠的調節密切相關，提示氯胺酮的意識消失產生都是通過對丘腦、皮層上與覺醒和記憶相關腦區神經活動的結果. 雖然如此，仍然可以看出丘腦等皮層下結構與麻醉藥物的作用密切相關. 有資料顯示皮層下區域如丘腦、邊緣系統等對意識的不同水平進行調節，尤其是丘腦的特殊部位在保持和調節意識、警覺和注意方面起重要的作用. 綜合分析認為丘腦和扣帶回等可能是氯胺酮作用的關鍵靶位.

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