劉曉朋　徐　成

精神分裂癥大鼠模型的MRI研究進展

劉曉朋徐成*

目前對于精神分裂癥病人的MRI研究取得了迅猛發(fā)展，但是動物模型的研究在該病中較少涉及。動物的MRI研究可以進行由于倫理因素在人體不能進行的各種研究，探索生理、病理情況下內(nèi)在機制。綜合國內(nèi)外近幾年研究成果，簡單介紹幾種常用的MRI成像方法及其在精神分裂癥動物模型研究中的應用。

磁共振成像；大鼠模型；精神分裂癥；功能磁共振成像；磁共振波譜成像

DOI:10.19300/j.2016.Z3707

精神分裂癥是一種常見的、慢性的、病因和發(fā)展機制仍未明確的腦功能退化性疾病。近年來，神經(jīng)精神方面的影像研究逐漸增多，為精神分裂癥的各種假說提供了越來越多的證據(jù)。目前大多數(shù)精神分裂癥方面的研究局限于對臨床病人的觀察，而對精神分裂癥動物模型的探索較少。精神分裂癥的研究需要可重復性好、可控性強、對比性高的動物模型，才能更方便、更有效地認識該病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律和研究防治措施。

目前常見的實驗研究中常用動物為大鼠。由于大鼠具有體積小、體質(zhì)量輕、影響因素多等特點，因此對其進行MR成像的條件和要求比人的要高。動物實驗不僅需要高場強設(shè)備，同時需要動物專用線圈。目前國外研究大多采用小孔徑7.0 T以上的超高場MR設(shè)備及相配套的動物線圈，從而獲得分辨力及信噪比（signal to noise ratio，SNR）均較高的影像。而國內(nèi)研究由于條件限制，大多采用1.5 T或3.0 T場強設(shè)備，線圈則使用最小尺寸的人體表面線圈（頸部線圈）或小關(guān)節(jié)線圈（腕關(guān)節(jié)線圈）。最近有實驗［1-2］采用小孔徑動物實驗用正交線圈和商用MR設(shè)備獲得了質(zhì)量較好的影像。

1　腦結(jié)構(gòu)MRI

腦結(jié)構(gòu)MRI大致分為基于形態(tài)學的結(jié)構(gòu)成像和基于擴散張量的擴散張量成像 （diffusion tensor imaging，DTI）。形態(tài)學主要是指腦的灰質(zhì)體積、皮質(zhì)厚度、皮質(zhì)表面積及腦室體積等［3］。DTI則是依據(jù)水分子的擴散情況來評價腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的完整性，同時無創(chuàng)顯示腦深部組織白質(zhì)纖維束的走行［4］。通過對腦形態(tài)學及白質(zhì)纖維束的比較得出模型組動物與正常組動物的腦結(jié)構(gòu)差異，為精神分裂癥的研究提供理論依據(jù)。

腦形態(tài)學的異?？梢詾樯窠?jīng)發(fā)育假說（大腦在發(fā)育成熟前的病理改變引起的）提供有力的證據(jù)。Piontkewitz等［5］通過在懷孕大鼠體內(nèi)注射聚肌苷酸胞嘧啶核苷酸（poly I:C）制作大鼠后代的精神分裂癥模型，在后代大鼠4個月時行7.0 T MR檢查，發(fā)現(xiàn)模型大鼠側(cè)腦室體積增大及海馬體積減小，但總腦體積未見明顯差異。海馬被認為是在記憶中儲存信息的神經(jīng)區(qū)域，與個體的工作記憶能力相關(guān)。Ellegood等［6］通過對22q11.2缺失［Df（16）A+/-］大鼠結(jié)構(gòu)MRI掃描發(fā)現(xiàn)，模型大鼠與正常大鼠腦總體積未見顯著差異，進而通過分析62個腦結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)包括第三腦室擴大、尾狀核體積增大、小腦體積及額葉皮質(zhì)厚度減小等13個腦結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。Chin等［7］對腹腔注射甲基氧化偶氮甲基乙酸（methylazoxymethyl acetate，MAM）的大鼠進行腦形態(tài)學及DTI研究，發(fā)現(xiàn)模型大鼠側(cè)腦室及第三腦室體積較正常大鼠增大，而海馬體積較正常組減小，DTI結(jié)果顯示模型組胼胝體及扣帶回的各向異性 （fractional anisotropy，F(xiàn)A）值顯著降低，這可能與白質(zhì)纖維的髓鞘脫失有關(guān)，胼胝體及扣帶回的纖維束完整性受到損害。Chandran等［8］通過給大鼠喂食含雙環(huán)己酮草酰二腙（cupferazone，CPZ）的飼料制作精神分裂癥模型，發(fā)現(xiàn)模型大鼠腦總體FA值相對于正常組是減低的，同時給予抗精神病藥物喹硫平的模型大鼠的FA值與正常大鼠無明顯差異，說明精神分裂癥與白質(zhì)纖維束的完整性直接相關(guān)。Ma等［1］通過對大鼠海馬轉(zhuǎn)染早期生長反應因子3（early growth response protein 3，EGR3）構(gòu)建的大鼠精神分裂癥模型的DTI研究表明，與正常組比較，模型組通過雙側(cè)海馬的纖維束體積和數(shù)目均明顯減小，通過左側(cè)海馬齒狀回的纖維束體積明顯減小。對精神分裂癥的易損腦區(qū)擴散張量及纖維束示蹤成像，能夠反映其腦白質(zhì)纖維連接情況，對明確精神分裂癥發(fā)病的結(jié)構(gòu)學基礎(chǔ)有重要意義。雖然上述研究結(jié)果大致相似，但是腦形態(tài)學上的變化不是精神分裂癥病人的特征改變，結(jié)構(gòu)MRI的臨床應用價值需進一步探索。

2　腦功能MRI

腦功能MRI（functionMRI，fMRI）是基于血氧水平依賴效應 （blood-oxygen-level dependent，BOLD）的無創(chuàng)性腦功能成像技術(shù)。BOLD是氧合及脫氧血紅蛋白磁化率差異、神經(jīng)元活動引起血流改變、血氧濃度及代謝率變化的綜合機制引起的效應。首先，機體血液中氧與血紅蛋白結(jié)合后形成氧合血紅蛋白，磁化率減小；當氧合血紅蛋白釋放氧即成為脫氧血紅蛋白，磁化率增大。這是因為脫氧血紅蛋白是一種順磁性物質(zhì)，引起血管及周圍組織局部磁場的不均勻。其次，局部腦神經(jīng)活動時，相應部位腦血流量及腦血容量增加；相反，大腦皮質(zhì)神經(jīng)靜息時，相應部位血流量及血容量減小。再次，神經(jīng)活動時氧代謝率不是固定不變的，因為氧合血紅蛋白的濃度是隨時間的變化而變化的，進而產(chǎn)生一個隨時間變化的局部梯度場［9］。上述三方面的綜合效應就是BOLD信號產(chǎn)生的機制。

腦fMRI包括任務態(tài)和靜息態(tài)兩種，靜息態(tài)是指被檢者保持頭腦清醒、不接受任何刺激或者無執(zhí)行任務的狀態(tài)［10］，目前用于精神分裂癥動物模型的研究多為靜息態(tài)fMRI。Lu等［11］用9.4 T MR設(shè)備對正常大鼠進行掃描，進而運用主成分分析（principal component analysis，PCA）方法處理功能數(shù)據(jù)得出與人類一致的腦默認網(wǎng)絡（default mode network，DMN）等功能網(wǎng)絡。White等［12］在2011年聯(lián)合運用光學特性成像（optical imaging of intrinsic signals，OIS）與fMRI靜息態(tài)成像對正常大鼠進行功能連接網(wǎng)絡研究，兩種方法得出一致的功能連接網(wǎng)絡，這與Xia等［13］對輕度麻醉大鼠靜息態(tài)及給予刺激狀態(tài)下MRI研究結(jié)果相同，即大鼠感覺運動系統(tǒng)腦網(wǎng)絡在靜息態(tài)時具有小世界屬性，與在人腦和其他動物上的結(jié)果類似。正因為大鼠與人類的功能網(wǎng)絡具有諸多的相似點，故可以借助大鼠精神分裂癥模型進行研究。Song等［2］使用雙側(cè)海馬注射EGR3建立精神分裂癥大鼠模型，對大鼠雙側(cè)前額葉、雙側(cè)丘腦及雙側(cè)海馬運用時間簇分析 （temporal clustering analysis，TCA）及Granger因果分析發(fā)現(xiàn)：模型組大鼠雙側(cè)額葉及海馬信號強度增加，這可能與精神分裂癥大鼠的注意力障礙及記憶力損害有關(guān)；模型組大鼠雙側(cè)前額葉及雙側(cè)海馬異常雙向的Granger連接及雙側(cè)前額葉與雙側(cè)丘腦間異常單向的Granger連接，這可能與精神分裂癥的發(fā)病機制相關(guān)。Gass等［14］對大鼠皮下注射氯胺酮制作精神分裂癥大鼠模型，基于種子點的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)：以海馬為種子點時，海馬下托、齒狀回與前額葉（前額葉皮質(zhì)、眶額皮質(zhì)、扣帶皮質(zhì)1區(qū)）及島葉皮質(zhì)的連接增多，前、后背側(cè)海馬與扣帶及島葉皮質(zhì)的連接增多，腹側(cè)海馬與尾狀核的連接增多；以前額葉為種子點時，下邊緣皮質(zhì)與眶皮質(zhì)及扣帶皮質(zhì)2區(qū)連接增加，上邊緣皮質(zhì)與后下腳的連接增加，這與Driesen等［15］采用靜息態(tài)fMRI研究運用氯胺酮后人腦功能連接改變（扣帶回、后部海馬與前額葉皮質(zhì)功能連接增加）的結(jié)果類似。

3　MRS

MRS是目前唯一無創(chuàng)性觀察活體組織代謝及生化改變的技術(shù)，其利用氫質(zhì)子在不同化合物中具有不同的共振頻率來區(qū)分正常組織和病變組織的代謝產(chǎn)物，從而反映腦內(nèi)病變代謝的異常，臨床中以1H-MRS應用較為廣泛。主要觀察的代謝物質(zhì)有N-乙酰天門冬氨酸 （NAA）絕對量及NAA/肌酸（Cr）、NAA/膽堿（Cho）值。NAA主要位于神經(jīng)元內(nèi)，反映神經(jīng)元的完整性和活性，NAA減少被認為與神經(jīng)元喪失或死亡有關(guān)。Cr主要存在于神經(jīng)細胞和膠質(zhì)細胞中，是能量代謝的產(chǎn)物，由于其在腦代謝產(chǎn)物中最為穩(wěn)定，常被用為內(nèi)部基準值。Cho是細胞膜磷脂代謝的成分并反映膜的代謝，Cho升高提示可能存在細胞膜更新紊亂［16］。

動物模型的MRS研究集中在海馬、丘腦、前額葉等部位。Ma等［17］在雙側(cè)海馬注射EGR3制作精神分裂模型，發(fā)現(xiàn)模型組雙側(cè)海馬的Cho量明顯高于正常組，而雙側(cè)丘腦的NAA量及NAA/Cr值明顯低于正常組。而Llorente等［18］將出生后9 d的大鼠制作為精神分裂癥模型，發(fā)現(xiàn)模型大鼠與正常大鼠海馬內(nèi)的NAA及Cho含量未見明顯差異，但模型組前額葉NAA明顯低于正常組。Iltis等［19］也主要研究了前額葉代謝物的變化，但注射苯環(huán)己哌啶（phencyclidine，PCP）后制作的精神分裂癥大鼠模型與正常組間未發(fā)現(xiàn)明顯差異。Bustillo等［20］運用11.7 T MRI研究了PCP誘導的精神分裂癥模型腦代謝變化，發(fā)現(xiàn)模型大鼠內(nèi)側(cè)額葉皮質(zhì)中NAA值減低，而海馬中的Cho值明顯高于正常組。以上研究結(jié)果相差較大，可能與精神分裂模型大鼠制作方法或者精神分裂病程階段不同有關(guān)。但是MRS從生化代謝水平證實了病變發(fā)生后神經(jīng)代謝的異常，在精神分裂癥的病理機制研究中起到了不可替代的作用。

綜上所述，以精神分裂癥大鼠模型為對象的MRI研究可以克服精神分裂癥潛伏期長、病程長的缺點，并且可以嚴格控制實驗條件以減少個體差異的影響。不同MRI研究方法對精神分裂癥模型大鼠的系統(tǒng)研究有助于進一步深入了解精神分裂癥的發(fā)生、發(fā)展及藥物治療過程中腦結(jié)構(gòu)、功能和代謝變化，可全面分析精神分裂癥的發(fā)病機制和病理生理過程。

［1］Ma ES，Song TB，Zhang H，et al.The reduction of volume and fiber bundle connections in the hippocampus of EGR3 transgenic schizophrenia rats［J］.Neuropsychiatr Dis Treat，2015，11:1625-1638.

［2］Song TB，Nie BB，Ma ES，et al.Functional magnetic resonance imaging reveals abnormal brain connectivity inEGR3gene transfected rat model of schizophrenia［J］.Biochem Biophys Res Commun，2015，460:678-683.

［3］van den Heuvel MP，F(xiàn)ornito A.Brain networks in schizophrenia［J］. Neuropsychol Rev，2014，24:32-48.

［4］Kubicki M，Westin CF，McCarley RW，et al.The application of DTI to investigate white matter abnormalities in schizophrenia［J］.Ann N Y Acad Sci，2005，1064:134-148.

［5］Piontkewitz Y，Arad M，Weiner I.Risperidone administered during asymptomatic period of adolescence prevents the emergence of brain structural pathology and behavioral abnormalities in an animal model of schizophrenia［J］.Schizophrenia Bulletin，2011，37:1257-1269.

［6］Ellegood J，Markx S，Lerch JP，et al.Neuroanatomical phenotypes in amousemodelofthe 22q11.2 microdeletion［J］.Molecular Psychiatry，2014，19:99-107.

［7］Chin CL，Curzon P，Schwartz AJ，et al.Structural abnormalities revealed by magnetic resonance imaging in rats prenatally exposed to methylazoxymethanol acetate para llel cerebral pathology in schizophrenia［J］.Synapse，2011，65:393-403.

［8］Chandran P，Upadhyay J，Markosyan S，et al.Magnetic resonance imaging and histological evidence for the blockade of cuprizoneinduced demyelination in C57BL/6 mice［J］.Neuroscience，2012，202: 446-453.

［9］Zhou Y，Shu N，Liu Y，et al.Altered resting-state functional connectivityandanatomicalconnectivityofhippocampusin schizophrenia［J］.Schizophr Res，2008，100:120-132.

［10］van den Heuvel MP，Hulshoff Pol HE.Exploring the brain network: A review on resting-state fMRI functional connectivity［J］.Eur Neuropsychopharmacol，2010，20:519-534.

［11］Lu H，Zou Q，Gu H，et al.Rat brains also have a default mode network［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2012，109:3979-3984.

［12］White BR，Bauer AQ，Snyder AZ，et al.Bauer.Imaging of functional connectivity in the mouse［J］.PLoS One，2011，6:16322-16331.

［13］Xia Y，Dong K.Study on resting-state functional connectivity of rat sensorimotor system［J］.Prog Biochem Biophys，2012，39:519-523.

［14］Gass N，Schwarz AJ，Sartorius A，et al.Sub-anesthetic ketamine modulates intrinsic BOLD connectivity within the hippocampalprefrontal circuit in the rat［J］.Neuropsychopharmacology，2014，39: 895-906.

［15］Driesen NR，McCarthy G，Bhagwagar Z，et al.Relationship of resting brain hyperconnectivity and schizophrenia-like symptoms produced by the NMDA receptor antagonist ketamine in humans［J］.Mol Psychiatry，2013，18:1199-1204.

［16］McKnight TR，Smith KJ，Chu PW，et al.Choline metabolism，proliferation，and angiogenesis in nonenhancing grades 2 and 3 astrocytoma［J］.J Magn Reson Imaging，2011，33:808-816.

［17］Ma G，Song TB，Chen M，et al.Hippocampal and thalamic neuronal metabolism in a putative rat model of schizophrenia［J］.Neural Regen Res，2013，8:2415-2423.

［18］Llorente R，Villa P，Marco EM，et al.Analyzing the effects of a single episode of neonatal maternal deprivation on metabolite profiles in rat brain:a proton nuclear magnetic resonance spectroscopy study［J］. Neuroscience，2012，201:12-19.

［19］Lltis L，Koski DM，Eberly LE，et al.Neurochemical changes in the rat prefrontal cortex following acute phencyclidine treatment:an in vivo localized 1H MRS study［J］.NMR Biomed，2009，22:737-744.

［20］Bustillo J，Gaolloway MP，Ghoddoussi F，et al.Medial-frontal cortex hypometabolism in chronic phencyclidine exposed rats assessed by high resolution magic angle spin 11.7 T proton magnetic resonance spectroscopy［J］.Neurochem Int，2012，61:128-131.

（收稿2015-08-30）

Research progress of MRI in rat model of schizophrenia

LIU Xiaopeng，XU Cheng.Department of Medical Imaging，Shanxi Medical University，Taiyuan 030001，China

At present，the MRI research on schizophrenia has achieved rapid development，but the animal model is relatively rare in the field.Animal MRI research can overcome the various limitations due to ethical factors in human research，and can explore the physiological and pathological conditions of the internal mechanism.According to worldwide research results in recent years，MRI imaging method and its application in animal models of schizophrenia have been introduced.

Magnetic resonance imaging；Rat model；Schizophrenia；Functional magnetic resonance imaging；Magnetic resonance spectroscophy Int J Med Radiol，2016，39（3）：235-237

山西醫(yī)科大學醫(yī)學影像學系，太原030001

徐成，E-mail:xucheng0509@163.com
*審校者

山西省自然科學基金（2014011041-4）