丁兆明，余永強(qiáng)，王海寶，程文文(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，安徽 合肥 230032)

靜息態(tài)fMRI評(píng)估急性酒精暴露對(duì)恒河猴腦功能的影響

丁兆明，余永強(qiáng)*，王海寶，程文文
(安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，安徽 合肥 230032)

目的 采用靜息態(tài)fMRI基于分?jǐn)?shù)低頻振蕩幅度(fALFF)方法評(píng)估急性酒精暴露后恒河猴腦功能改變。方法 分別對(duì)7只健康雄性恒河猴于靜脈注射酒精前及注射后10、28、46 min進(jìn)行BOLD fMRI序列及3D結(jié)構(gòu)像掃描，采用fALFF算法獲得并比較4個(gè)時(shí)間點(diǎn)fALFF差異的腦區(qū)。結(jié)果 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)fALFF總體差異顯著的腦區(qū)為右側(cè)中央后回、右側(cè)島葉、右側(cè)小腦、左側(cè)海馬旁回、雙側(cè)額下回、小腦蚓部、右枕葉、楔前葉、左側(cè)緣上回(P均<0.05)；靜脈注射酒精后fALFF值減低的腦區(qū)為雙側(cè)額上回、右側(cè)額下回、右側(cè)梭狀回、右側(cè)角回、雙側(cè)顳上回、右枕葉、左側(cè)外側(cè)溝、左側(cè)中央后回、左側(cè)楔狀葉、左側(cè)丘腦、左側(cè)島葉、前扣帶回(P均<0.05)；靜脈注射酒精后fALFF值增高的腦區(qū)為右側(cè)額下回、右側(cè)顳中回(P均<0.05)。結(jié)論 酒精暴露急性期腦代謝活動(dòng)發(fā)生顯著變化，主要涉及默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、獎(jiǎng)賞及情緒加工系統(tǒng)、視聽皮層等。

酒精中毒，急性；磁共振成像；恒河猴

急性酒精暴露會(huì)立刻引起腦神經(jīng)元代謝和局部腦血流量的改變，進(jìn)而導(dǎo)致認(rèn)知控制、情感處理、工作記憶、感覺運(yùn)動(dòng)等功能紊亂[1]。神經(jīng)影像學(xué)是研究急性酒精暴露腦功能改變的重要方法，但目前的試驗(yàn)設(shè)計(jì)基本采用單個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)[2-4]，這對(duì)酒精藥理學(xué)的研究具有局限性。，Strang等[5-6]利用動(dòng)脈質(zhì)子自旋標(biāo)記(arterial spin labeling，ASL)技術(shù)研究血液酒精濃度(blood alcohol concentration， BAC)上升期腦血流動(dòng)力學(xué)改變，結(jié)果表明，酒精可導(dǎo)致全腦血流量增加，并且具有劑量依賴性。Weber等[7]對(duì)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(default mode network， DMN)的研究采用口服酒精60 min及90 min兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，結(jié)果表明兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)間DMN連接不同。Lahti等[8]報(bào)道，86%的急性酒精暴露者死于BAC下降期，因此對(duì)BAC下降期的神經(jīng)藥理學(xué)研究十分重要。本研究采用靜息態(tài)fMRI基于分?jǐn)?shù)低頻振蕩幅度(fractional amplitude of lowfrequency fluctuation， fALFF)評(píng)估BAC下降期恒河猴腦功能改變，并在靜脈注射酒精后1 h內(nèi)的3個(gè)時(shí)間點(diǎn)(10、28、46 min)采集數(shù)據(jù)[9]，動(dòng)態(tài)觀察BAC下降期恒河猴腦功能變化。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物 選取雄性恒河猴7只，由中國科學(xué)院昆明研究所提供，無酒精接觸史，年齡(5.0±1.0)歲，體質(zhì)量(8.0±2.0)kg，單籠喂養(yǎng)，自由進(jìn)食、飲水。先飼養(yǎng)30天，以適應(yīng)周圍環(huán)境。

1.2 儀器與方法 采用GE Discovery 750W 3.0T MR掃描儀，頭部32通道相控陣線圈。功能像采用BOLD 單次激發(fā)EPI序列行全腦軸位掃描，TE 35 ms，TR 2 000 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，F(xiàn)OV24 cm×24 cm，矩陣64×64，層厚2.5 mm，層距0.5 mm，層數(shù)26層。軸位三維解剖圖像采用快速擾相梯度反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列掃描，TE 3.1 ms，TR 7.2 ms，翻轉(zhuǎn)角8°，F(xiàn)OV 25.6 cm×25.6 cm。矩陣256×256，層厚1.0 mm，層數(shù)172層。所有實(shí)驗(yàn)動(dòng)物均接受2次相同實(shí)驗(yàn)，間隔1周以上。實(shí)驗(yàn)采取靜脈注射酒精前后的自身對(duì)照[5-6，9]設(shè)計(jì)。

禁食、禁水6 h后以95%戊巴比妥鈉肌肉注射麻醉，劑量為1 ml/kg體質(zhì)量，誘導(dǎo)期約15 min；確定動(dòng)物處于麻醉狀態(tài)后將其取出，若長(zhǎng)時(shí)間未達(dá)麻醉狀態(tài)，可在確保安全的情況下取出動(dòng)物，并從腿部靜脈適當(dāng)補(bǔ)藥，直至達(dá)麻醉狀態(tài)；擺正動(dòng)物體位，以海綿墊填充頭部與線圈之間縫隙，并以橡膠塞封閉耳孔以降低噪聲干擾，將呼吸、心率監(jiān)控儀器置于最佳位置，觀察顯示器數(shù)據(jù)正常后，蓋上被子保溫。

首先進(jìn)行BOLD MR掃描，獲取基礎(chǔ)靜息態(tài)數(shù)據(jù)作為對(duì)照(0期)，然后配置20度的酒精生理鹽水溶液，并按照0.44 g/kg體質(zhì)量靜脈推注酒精生理鹽水，推注時(shí)間5 min；推注酒精后10 min(Ⅰ期)、28 min(Ⅱ期)、46 min(Ⅲ期)時(shí)分別進(jìn)行3次BOLD MR掃描，BOLD序列掃描結(jié)束再進(jìn)行其他序列掃描，整個(gè)掃描過程約2 h。掃描過程中時(shí)刻觀察動(dòng)物呼吸心率變化，如出現(xiàn)明顯升高，可經(jīng)靜脈適當(dāng)補(bǔ)充麻醉藥物。掃描結(jié)束后，將動(dòng)物安全送回動(dòng)物房，確定其清醒后方離開。

1.3 圖像處理 采用基于MatLab 7.12(R2011a)的dpabi軟件中的DPARSF 3.2 for monkey data及SPM12數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)靜息態(tài)fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行處理：圖像首先由DICOM格式轉(zhuǎn)換為NIFTI格式；然后剔除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行頭動(dòng)校正，剔除頭部平移>2.5 mm及轉(zhuǎn)動(dòng)>2.5°的數(shù)據(jù)；進(jìn)行空間標(biāo)準(zhǔn)化，先將靜息態(tài)功能像匹配到T1WI解剖圖像上，再將T1WI圖像配準(zhǔn)到112RM-SL_T1_F99模板[10]進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以2 mm×2 mm×2 mm體素單元重采樣；再進(jìn)行高斯半高全寬(3 mm)平滑處理及去線性漂移、低頻濾過處理，濾過活動(dòng)頻率范圍為0.01～0.08 Hz的低頻信號(hào)；采用Friston24去除協(xié)變量，包括去趨勢(shì)線、頭動(dòng)參數(shù)、腦脊液、腦白質(zhì)信號(hào)等；計(jì)算全腦fALFF值。通過MNI(Montreal Neurological Institute)坐標(biāo)獲取4個(gè)時(shí)間點(diǎn)fALFF有差異的腦區(qū)，再根據(jù)猴腦解剖圖譜確定各腦區(qū)具體位置[11-12]，利用MRIcro軟件將這些腦區(qū)呈現(xiàn)出來。本實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行14次圖像采集，符合要求的13次。

1.4統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPM 12.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。不同時(shí)間點(diǎn)fALFF總體差異采用單因素方差分析，以P<0.05(非校正)及簇體積≥10個(gè)體素為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期與0期比較fALFF增加或減少腦區(qū)分析采用配對(duì)t檢驗(yàn)，以P<0.05(非校正)及簇體積≥10個(gè)體素為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；根據(jù)MNI坐標(biāo)利用MRIcroN軟件呈現(xiàn)差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)。

表1 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)fALFF總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)

表2 靜脈注射酒精后fALFF值減低的腦區(qū)

表3 靜脈注射酒精后fALFF值增加的腦區(qū)

2 結(jié)果

4個(gè)時(shí)間點(diǎn)間fALFF總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)為右側(cè)中央后回、右側(cè)島葉、右側(cè)小腦半球、左側(cè)海馬旁回、雙側(cè)額下回、小腦蚓部、右側(cè)枕葉、楔前葉、左側(cè)緣上回(簇體積≥10個(gè)體素，P<0.05)，見表1、圖1。

靜脈注射酒精后fALFF值減低的腦區(qū)為雙側(cè)額上回、右側(cè)額下回、右側(cè)梭狀回、右側(cè)角回、雙側(cè)顳上回、右枕葉、左側(cè)外側(cè)溝、左側(cè)中央后回、左側(cè)楔狀葉、左側(cè)丘腦、左側(cè)島葉、前扣帶回(簇體積≥10個(gè)體素，P均<0.05)，見表2、圖2。

靜脈注射酒精后fALFF值增高的腦區(qū)為右側(cè)額下回、右側(cè)顳中回(體素≥10個(gè)，P值均<0.05)，見表3、圖3。

3 討論

近年，靜息態(tài)功能影像學(xué)用于神經(jīng)藥理學(xué)的研究已經(jīng)取得重大進(jìn)展，相比任務(wù)態(tài)，其操作簡(jiǎn)單、掃描時(shí)間短，避免了人為學(xué)習(xí)某項(xiàng)技能或執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)引起的個(gè)體差異，而且可以進(jìn)行跨物種研究[13]，為動(dòng)物模型應(yīng)用于神經(jīng)藥理學(xué)研究提供了便利。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)是基礎(chǔ)研究的重要工具，其可以很好地控制許多人為不可控因素。非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物模型對(duì)神經(jīng)影像學(xué)研究有重要參考價(jià)值。研究[9]已證明，恒河猴DMN與人類具有相似性，且麻醉狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)連接仍具有完整性，這些均充分證明了此類模型應(yīng)用于臨床研究的可行性。Telesford等[9]報(bào)道，靜脈注射1 g/kg體質(zhì)量酒精10 min后，恒河猴靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)發(fā)生顯著改變。目前可以確定的恒河猴DMN組成腦區(qū)有楔前葉、后扣帶回、內(nèi)側(cè)前額葉皮層、顳上回[9]。本研究恒河猴DMN涉及的腦區(qū)雙側(cè)額上回、顳上回fALFF降低，楔前葉fALFF變化顯著，fALFF降低提示區(qū)域神經(jīng)元活動(dòng)代謝減低，表明酒精急性期嚴(yán)重影響了DMN，與之前報(bào)道一致[2，7]。DMN功能改變也間接反映了急性酒精暴露后有關(guān)認(rèn)知、情感、感覺運(yùn)動(dòng)等腦功能嚴(yán)重受損，這也解釋了酒精中毒患者的一些異常表現(xiàn)如行為失控、外向、記憶丟失等。

圖1 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)間fALFF總體差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)

圖2 靜脈注射酒精后fALFF值減低的腦區(qū)

PET研究證實(shí)中等劑量酒精暴露會(huì)顯著降低全腦葡萄糖代謝，對(duì)腦組織整體起抑制作用，但能增加紋狀體(包括伏隔核)、杏仁核、島葉、中腦的葡萄糖代謝水平，激活中腦邊緣系統(tǒng)，同樣的結(jié)論在任務(wù)態(tài)fMRI中也得到證實(shí)[1]。之前的研究大都采用單個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，這對(duì)酒精藥理學(xué)的研究是不夠的，本研究在靜脈注射酒精后近1 h內(nèi)設(shè)置3個(gè)時(shí)間點(diǎn)，動(dòng)態(tài)、更長(zhǎng)時(shí)間的觀察酒精對(duì)腦神經(jīng)元活動(dòng)的影響[9]。研究發(fā)現(xiàn)fALFF減低腦區(qū)明顯多于增加腦區(qū)，表明在靜脈注射酒精后的3期時(shí)間內(nèi)大部分腦區(qū)腦活動(dòng)代謝減少，大腦活動(dòng)整體受到抑制。此外，中腦邊緣系統(tǒng)相關(guān)腦區(qū)左側(cè)海馬旁回fALFF增加，雙側(cè)島葉fALFF發(fā)生改變，表明中腦邊緣系統(tǒng)神經(jīng)元代謝活動(dòng)受到影響。本研究fALFF增加最明顯的腦區(qū)為右側(cè)額下回，額下回主要功能是與杏仁核一起參與對(duì)獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰、情緒和動(dòng)機(jī)的處理、加工，提示酒精可激活情緒加工系統(tǒng)。Bjork等[1]認(rèn)為急性期酒精可能增加感覺區(qū)域內(nèi)及區(qū)域間的功能連接，增強(qiáng)機(jī)體的環(huán)境線索/刺激獎(jiǎng)賞學(xué)習(xí)功能，造成酒精依賴的復(fù)吸行為。Esposito等[14]報(bào)道酒精可增加視聽網(wǎng)絡(luò)固有連接；Spagnolli等[3]報(bào)道BAC為0.5 g/L時(shí)，左側(cè)梭狀回、左側(cè)顳下回、左側(cè)副胼胝體皮層BOLD信號(hào)顯著減低，這些腦區(qū)參與組成腹側(cè)視覺網(wǎng)絡(luò)、獎(jiǎng)賞回路。本研究中靜脈注射酒精后的動(dòng)物視聽皮層相關(guān)腦區(qū)右側(cè)枕葉、楔狀葉及雙側(cè)顳上回fALFF變化明顯，主要以減低為主，這些改變也再次表明飲酒時(shí)機(jī)體對(duì)外界環(huán)境的檢測(cè)、處理功能發(fā)生改變。

圖3 靜脈注射酒精后fALFF值增加的腦區(qū)

酒精對(duì)神經(jīng)元代謝的影響因素包括酒精濃度、曝光時(shí)間及曝光速率[15]。之前的研究主要采取口服酒精，但由于性別、年齡、遺傳及第一代謝等因素導(dǎo)致個(gè)體差異很大，靜脈注射酒精可以避免這些不利因素，特別是采用計(jì)算機(jī)輔助注射系統(tǒng)[5-6]，可以控制酒精的濃度、升降速率及作用時(shí)間，這對(duì)藥理學(xué)的研究至關(guān)重要。此外，酒精具有血管活性作用，酒精使血流量增加依賴于兩個(gè)因素即自身擴(kuò)血管作用和局部代謝引起的血流改變[6]。這使fMRI信號(hào)與實(shí)際腦代謝之間必然存在誤差，且隨著酒精劑量的增加這種誤差增大，這也是目前該研究集中在中等劑量的原因。研究[9]指出，靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)確認(rèn)額中回-后扣帶回、頂葉-前額葉之間存在連接，但麻醉狀態(tài)下卻未發(fā)現(xiàn)，可能與麻醉劑的使用有關(guān)，故對(duì)麻醉劑的探討也顯得十分重要。

總之，酒精急性期全腦代謝活動(dòng)發(fā)生顯著變化，主要涉及默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、獎(jiǎng)賞及情緒加工系統(tǒng)、視聽皮層。

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Resting-state fMRI in evaluating acute effect of alcohol on healthy Rhesus brain

DINGZhaoming,YUYongqiang*,WANGHaibao,CHENGWenwen
(DepartmentofMedicalImaging,theFirstAffiliatedHospitalofAnhuiMedicalUniversity,Hefei230032,China)

Objective To assess the value of resting-state fMRI based on fractional amplitude of low-frequency fluctuation (fALFF) in detecting the acute effects of alcohol on healthy Rhesus brain. Methods Seven healthy Rhesus underwent BOLD resting-state fMRI and 3D structure imaging before and 10, 28, 46 min after intravenous injection of acute alcohol, and fALFF were used to investigate spontaneous neural activity in the resting state. Results Brain areas with significant difference of fALFF in 4 time points were right postcentral gyrus, right insula, right cerebellum, left parahippocampal gyrus, bilateral inferior frontal gyrus, cerebellar vermis， right occipital, left supramarginal gyrus, precuneus (allP<0.05). Brain areas with decreased fALFF were bilateral frontal gyrus, right inferior frontal gyrus, right fusiform gyrus, right angular gyrus, bilateral temporal gyrus, right occipital, left lateral sulcus, left postcentral gyrus, left cuneus, left thalamus, left insula, and anterior cingulate (allP<0.05). Brain areas with increased fALFF were right inferior frontal gyrus, right middle temporal gyrus (allP<0.05). Conclusion It has great effect of alcohol on brain function in rhesus monkeys, and mainly involve default network, reward and emotional processing system, visual and auditory cortex.

Alcoholic intoxication； Magnetic resonance imaging； Macaca mulatta

國家自然科學(xué)基金(81171326、81571308)、2013年高校省級(jí)自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目(K12013ZD08)。

丁兆明(1987—)，男，安徽蒙城人，碩士，醫(yī)師。研究方向：神經(jīng)影像學(xué)。E-mail： 1105991828@qq.com

余永強(qiáng)，安徽醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院影像科，230032。E-mail： yuyongqiang@hotmail.com

2016-10-28

2016-12-15

10.13929/j.1672-8475.201610033

R-332; R445.2

A

1672-8475(2017)02-0102-06

基礎(chǔ)與實(shí)驗(yàn)研究