该技术的目的是利用药理学磁共振成像(phMRI)结合静脉注射选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRI)氟西汀,评估活体且自由呼吸动物中5-羟色胺(5-HT)神经递质的功能。
该技术的目的是利用药理学磁共振成像(phMRI)结合静脉注射选择性5-羟色胺再摄取抑制剂(SSRI)氟西汀,评估活体且自由呼吸动物中5-羟色胺(5-HT)神经递质的功能。
药理学磁共振成像(phMRI)是一种研究物质对脑功能影响的新兴且具有前景的方法,最终可用于揭示药物作用以及与神经递质相关疾病(如抑郁症和注意缺陷多动障碍,ADHD)背后的神经生物学机制。与大多数成像方法(PET、SPECT、CT)类似,它在以非侵入性方式研究脑部疾病及相关神经递质通路功能方面取得了进展,同时保持了对整体神经元连接性的尊重。此外,它还为向临床研究转化提供了理想工具。尽管在分子成像策略方面,MRI目前仍落后于PET和SPECT,但其具有空间分辨率高、无需注射对比剂或放射性标记分子的显著优势,从而避免了反复暴露于电离辐射。功能磁共振成像(fMRI)已在科研和临床环境中广泛应用,通常与心理运动任务结合使用。phMRI是fMRI的一种改进形式,能够在生理或病理条件下,通过给予特定的激发药物激活后,对特定神经递质系统(如5-羟色胺(5-HT)系统)进行研究。
本文所述方法的目的是评估自由呼吸动物的脑内5-HT功能。通过在持续采集随时间变化的功能性磁共振图像的同时对5-HT系统进行干预刺激,可以可视化大脑对此刺激的反应。已有多个动物研究表明,药物诱导引起的细胞外5-HT水平升高(如释放剂、选择性再摄取抑制剂等)可引发脑区特异性的血氧水平依赖(BOLD)MRI信号变化(该信号源于脑激活过程中,为满足神经元对氧气和葡萄糖的需求而增加血供,导致氧合与脱氧血红蛋白水平改变),从而提供一种神经递质功能的指标。此外,研究也表明,这些效应可通过降低5-HT可用性的干预措施而逆转16,13,18,7。在成年大鼠中,急性给予SSRI后已在多个与5-HT相关的脑区观察到BOLD信号的变化,例如皮层区域、海马、下丘脑和丘脑9,16,15。因此,对5-HT系统的刺激及其对刺激的反应可作为评估其在动物和人类中功能状态的一种指标2,11。
准备实验动物 体内 MRI成像
1. 外科套管术
2. 监测
在整个成像过程中,应持续监测并尽可能保持多种生理反应的稳定。这一点至关重要,因为这些生理反应的变化时间窗可能与药理磁共振成像(phMRI)信号的时间窗相同,并且会影响目标信号。此外,由于动物将被置于磁体内部,无法直接观察,无法进行常规的麻醉深度评估(例如脚趾夹捏测试),因此持续监测有助于确保麻醉深度适宜。同时,鉴于许多药物会改变心血管参数(如血压),测量这些参数对于在phMRI数据分析中充分考虑药物作用引起的全身生理效应尤为关键。有关5 mg/kg氟西汀输注的基线值及预期生理反应,请参见第4节。
体内成像
功能磁共振成像实验设置的示意图如图2所示。
3. 成像参数
数据处理
4. 生理反应
对刺激的预期生理反应取决于所选用的药物。以下列出的是公认的大鼠成年雄性个体的基础值,以及静脉输注5 mg/kg氟西汀后的预期反应。
5. 预处理 MRI 数据
本文介绍了磁共振数据预处理的若干步骤,旨在优化数据以用于统计分析。我们提及了本实验室所使用的工具,但也有许多其他不同的工具可供选择。
5.1 数据准备
5.2 运动校正
5.3 脑部分割
6. 数据分析
对磁共振(MR)数据进行统计分析的目标,是以具有统计学稳健性的方式确定那些因药物干预而表现出额外变异的体素。针对这一目标,存在多种方法学途径,以及数量众多的软件包可供选择。具体方法的选择取决于实验室中软件的可及性、研究人员的知识与经验,以及特定的研究问题。本文介绍了我们实验室所采用的一种推荐方法。
6.1
6.2
接下来,需要针对先前建立的 GLM 模型,对每只动物的原始 4D 时间序列图像进行统计检验。为此,我们使用了 FSL 软件中的 FEAT 程序(FMRI Expert Analysis Tool,v5.98)17,24。然而,也可使用其他 fMRI 分析工具。在分析工具中,需设置一级分析,具体包括以下步骤:
6.3
此后,所有动物的一级分析结果可合并进行更高层次(组别)的统计分析。这在很大程度上取决于您自身的研究设计和科学问题。
6.4
如有需要,可将生理药物反应与MR信号进行关联或相关分析。另请参见关于添加混杂回归变量(confound EV's)的6.2.3节。
7. 典型结果
当给予难治性药物(5 mg/kg,静脉注射氟西汀)进入循环系统后,应可观察到呼吸频率(升高)和血压(降低)出现明显的生理反应。这些反应平均在5-10分钟内恢复正常。在图3中,血压的下降情况清晰可见。
平均信号时间过程应显示相对稳定的基线以及刺激任务的明显效应。理想情况下,信号不应出现与刺激无关的漂移。平均信号时间过程的代表性示例如图5A所示。伪迹(如呼吸抑制/衰竭或麻醉状态变化)通常在信号中清晰可见。呼吸抑制将对全脑信号产生负面影响,如图5B所示。
一级分析后,激活模式预期主要为正性激活,且仅位于特定区域(即皮层区域、海马、下丘脑和丘脑;见图6A)。如果全脑均呈现去激活状态,通常提示麻醉过深和/或扫描期间缺氧。图6B展示了此种情况的一个示例。

图1. 股动脉和股静脉中导管放置位置。

图 2. MRI 实验装置的示意图;所有设备均需为非铁磁性材料,并连接至一个模块化系统,以实现图像的门控采集,避免因呼吸和/或心跳引起的运动干扰。通过加热模块调节动物体温,以在成像过程中监测和控制动物体温。点击此处查看大图。

图 3. 血压数据的代表性示例。在输注开始后(红色条),血压明显下降。给药刺激后 10 分钟内恢复至正常水平。

图 4. A) 使用MRI分析程序Stimulate预测的激活模式(红色表示正向激活,蓝色表示负向激活)。B) 所有动物中所有激活体素(相对于基线变化≥1%)的平均时间进程。C) FSL/FEAT中生成的GLM模型示例。 点击此处查看大图。

图5.

图6.
5-HT phMRI 是一种有前景的工具,可用于在活体动物中评估神经递质功能。in vivo条件下,该技术通过功能磁共振成像可视化大脑对5-HT刺激的反应。磁共振成像具有高空间分辨率的显著优势,且无需注射对比剂或放射性标记分子,从而避免了反复暴露于电离辐射。该技术适用于人类和动物受试者,因此非常适用于神经递质系统及精神疾病领域的转化研究。该方法的应用当然不仅限于5-HT通路,已广泛用于评估多巴胺能药物在动物5,15和人类22中的作用。
然而,小动物phMRI仍具有挑战性,正如Martin和Sibson在综述文章中已指出的那样11 和 Steward20其中一个挑战是在图像采集过程中维持稳定的生理参数。大多数麻醉剂可能改变心血管功能,而由于药理学磁共振成像(phMRI)高度依赖于心血管/血流动力学参数,因此必须确保任何血流动力学变化仅归因于所给予的药物干预。因此,维持pCO₂在正常生理范围至关重要。2 在基线数据采集期间,各项指标保持恒定。机械通气有助于维持生理稳定性,常被用于此类实验。然而,我们选择采用自由呼吸的动物模型,以便为未来开展纵向研究保留可能性。取而代之的是,我们对呼吸频率和血气值进行了广泛监测(并进行调节),以确保在功能扫描开始前各项生理参数处于正常范围内,从而维持稳定的血管反应性及T2*/T2信号。关于全身麻醉剂对脑血流动力学和代谢影响的文献十分丰富。20 且超出本论文的范围。我们选择使用气体麻醉 ±2% 异氟烷,因为吸入性麻醉剂可以快速且方便地控制麻醉深度。这一点在我们的实验设置中非常重要,以确保 pCO₂ 处于正常稳定范围2 在开始图像采集之前调整麻醉水平。异氟烷是目前最常用的吸入性麻醉剂,可实现快速诱导和苏醒,这对于纵向研究尤为重要。此外,异氟烷对心血管和呼吸系统的抑制作用最小,并能有效松弛骨骼肌。
其次,在小型动物中静脉给予挑战性药物比在人类中更为复杂。股动脉和股静脉插管手术需要经过良好培训且经验丰富的人员操作。由于这些侵入性操作,目前该方法主要应用于终末性实验。然而,非侵入性的血液稳态监测结合尾静脉注射可用于纵向研究23。
此外,该技术还存在一些更为普遍的局限性,这些局限性并非动物phMRI所特有。另外,正如Martin和Sibson11所指出的,所有fMRI研究的一个潜在混杂因素是,通常假设由刺激引发的脑活动变化反映的是神经元活动的变化,而非外周系统性效应。尤其是在深部脑区,目前对神经血管耦合(即神经元活动变化与血流动力学变化之间的关系)的理解仍然相对有限。类似于Logothetis10在皮层中开展的用于确定神经血管耦合关系的研究,尚未在脑的其他区域进行。因此,我们尚不清楚在纹状体或杏仁核等重要结构中BOLD信号的增强究竟反映了怎样的神经元活动变化。目前我们最多只能认为,该脑区对给定刺激产生了反应,并且根据不同的处理方式和/或实验条件,我们可以监测到脑反应性的显著变化。这一点可通过同时分析MRI数据和生理反应在很大程度上得到验证。脑激活的一般模式应具有区域特异性,并局限于具有高5-HT神经支配的区域,而不是广泛的血管反应。此外,血管变化与血流动力学变化之间预期存在不同的时间特征。尽管血压变化通常在数分钟内恢复至基线水平,但药物对BOLD信号激活的影响(以氟西汀为例)可持续至图像采集结束,这与该药物已知的药代动力学特性相符。最后,为了进行个体间的比较,所有动物的生理反应应尽可能相似。然而,已知5-HT存在对局部血流的神经源性调节作用4。因此,不能排除BOLD信号的局部变化可能源于血管附近5-HT释放所导致的血管变化。尽管这些效应并非源于局部神经元激活,因而可能被视为假阳性结果,但它们同时也反映了5-HT系统整体特异性功能的一个指标(另见3)。
因此,该技术的关键步骤是广泛监测生理反应,并确保动物在图像采集前和采集期间的生理状况保持稳定。同时,扫描仪的条件也应尽可能稳定,并且每只动物的扫描条件必须完全相同。在实验开始前,应检查并确认所用序列的信号稳定性。此外,即使受试动物数量较少,也务必确保具有足够大的统计效能。有关动物药理学功能磁共振成像(phMRI)实验设计的全面综述,可参见 Steward 20;关于大鼠和小鼠药理学功能磁共振成像的另一个实验方案示例,可参见 Ferrari5。
此处所述技术的可能改进方法有很多。可以:
实验设计中的选择在很大程度上取决于您所在实验室的条件和/或经验,以及您希望回答的研究问题类型。
我们没有需要披露的内容。
本工作由荷兰科学研究组织(NWO)(Veni 项目编号 916.86.125)资助,授予 L. Reneman。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。不存在利益冲突。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 异氟烷 | Abbott Laboratories | No B506 | 与医用空气混合使用 |
| 医用空气 | BOC Healthcare | ||
| 加热垫 | Harvard Apparatus | 507223F 带柔性探头的完整恒温毯系统,中号,230 VAC,50 Hz | |
| 丝线结扎线 | Harvard Apparatus | 2-0黑色编织丝线,不可吸收 货号 51-7631 | |
| PE-50导管 | Scientific Laboratory Supplies LTD | Portex管材 PE 0.58×0.96 mm | 内径0.58 mm,外径0.96 mm |
| 肝素钠 | Leo Laboratories | 肝素钠 1000 IU/mL | 15 U/mL |
| Vetbond 组织粘合剂 | 3M | MVetbond 组织粘合剂 | |
| 监测系统 | SA Instruments | http://www.i4sa.com Model 1025L 监测系统 | 监测呼吸和体温 |
| 压力传感器 | Biopac Systems, Inc. | 血压传感器 - TSD104A MP150 数据采集系统 - WIN - MP150WSW | 监测血压 |
| RapidLab 血气分析仪 | Siemens AG | RAPIDLab 248/348 系统 | |
| 4.7T 动物扫描仪 | Agilent Technologies | 4.7T 频率 199.845 MHz | |
| 磁共振兼容立体定位床 | m2m Imaging Corp | 大鼠床:PA 多元件 AHS 50-72-1003/100 | |
| 线圈 | m2m Imaging Corp | 体积 TH/Rx RQD1 72/112 200 | |
| 盐酸氟西汀 | Sigma-Aldrich | F-132 | 5 mg/kg 溶于生理盐水 |