在本研究中,作者首次报道了一种新型的3D沉浸式 & 通过患者大脑μ-阿片系统在自发性偏头痛发作期间的变化实现交互式神经导航(3D-IIN) 体内.
方法文章
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在本研究中,作者首次报道了一种新型的3D沉浸式 & 通过患者大脑μ-阿片系统在自发性偏头痛发作期间的变化实现交互式神经导航(3D-IIN) 体内.
越来越多的研究(主要基于磁共振成像研究)表明,偏头痛的发生乃至持续可能与中枢神经系统中特定神经过程的改变有关。然而,目前尚缺乏关于这些变化的分子层面影响的信息,尤其是在偏头痛发作期间对内源性阿片系统的影响,也从未有人通过这些变化进行神经导航。本研究旨在利用一种新型的三维沉浸式交互式神经导航(3D-IIN)方法,探究偏头痛发作期间大脑内源性μ-阿片受体的神经传递情况 体内这可以说是与疼痛调节最核心相关的神经机制之一,影响着疼痛体验和镇痛的多个方面。一名36岁的女性偏头痛患者,患病史已达10年,在典型的头痛发作期(发作期)和非头痛期(发作间期)分别接受了正电子发射断层扫描(PET),使用的选择性放射性示踪剂为[11C]卡芬太尼,使我们能够测量大脑中μ-阿片受体的可用性(不可置换结合潜力——μOR BP)未检测到)。短半衰期放射性示踪剂由校园内紧邻影像中心的回旋加速器及化学合成装置制备。两次正电子发射断层扫描(PET)——发作间期和发作期——均安排在患者月经周期的不同中晚期卵泡阶段进行。在发作期PET扫描过程中,患者自发性头痛发作达到重度强度,并在扫描结束时进展为恶心和呕吐。µOR BP出现下降ND 在发作期,内源性μ-阿片系统参与疼痛调节的脑区(包括扣带皮层、伏隔核(NAcc)、丘脑(Thal)和导水管周围灰质(PAG))中,μ阿片受体(μOR)的结合势能(BP)降低,表明这些受体已被机体为应对持续性疼痛而释放的内源性阿片肽占据。据我们所知,这是首次观察到μOR结合势能在发作期发生改变未检测到 在偏头痛发作期间,已使用一种新型3D方法对神经影像数据进行神经导航。该方法可在真实患者的神经影像数据集中实现偏头痛发作的交互式研究与教育探索。
偏头痛是一种慢性三叉神经性疼痛疾病,在美国及全球范围内影响近16%的女性和6%的男性1-3。反复发作的偏头痛对患者生活的诸多方面造成显著影响,降低生活质量与工作表现,并因缺课/缺勤和医疗资源使用而造成数十亿美元的经济损失4。在严重的头痛发作期间,患者对有害刺激(痛觉过敏)甚至无害刺激(异常性疼痛)的敏感性明显增强5。
μ-阿片神经递质系统是大脑中主要的内源性疼痛调节机制之一。该系统参与实验性和临床性疼痛感知的调控,也参与阿片类药物的镇痛作用。6-9 这与偏头痛发作的慢性化相关10近年来,正电子发射断层扫描(PET)分子成像技术的进步使得研究人员能够深入研究慢性疼痛患者大脑中的重要分子机制 体内11在本研究中,尽管在偶发且致残的发作性偏头痛与正电子发射断层扫描/放射性示踪剂检测操作的复杂设置之间实现协调存在较大难度,但仍首次采用三维神经导航技术,在一名患者自发性偏头痛发作期间,对其大脑关键疼痛网络区域的µ阿片受体(µOR)可用性进行了研究。
病例报告
一名36岁的亚洲女性被纳入研究。她有长达10年的伴有视觉先兆的偏头痛病史。每月平均出现12天右侧偏头痛发作,疼痛程度为中度至重度,若未治疗或治疗无效,通常会持续72小时。在月经周期前后头痛发作频率增加,且在整个研究期间具有规律性。伴随症状包括:恶心、呕吐、畏光和畏声。在普通头痛发作期间,她未出现任何自主神经症状。作为治疗手段,她仅采用药物性终止疗法控制症状,主要基于非甾体抗炎药,且无药物过度使用或阿片类药物摄入的迹象。筛查访视时的临床检查结果无异常,系统回顾均在正常范围内。她未婚,无子女,且未使用避孕药物。
该研究应获得当地机构审查委员会和放射性药物研究委员会的批准。研究对象需签署书面知情同意书,同意参与本研究。该方案分为三个按时间顺序进行的步骤:
患者需负责填写头痛日记,并在影像检查当天向研究团队确认偏头痛发作的情况。发作间期和发作期的正电子发射断层扫描(PET)均应安排在患者不同的中晚卵泡期(月经出血第一天后的第5至10天)进行。本研究中,该时间由具有相关专业经验的妇科医生(Y.R.S.)提前追踪并计算确定。
1. MRI 检查
2. 惊厥期PET扫描
3. PET 数据重建
4. PET 数据分析
注意:按照以下顺序,使用统计参数映射(SPM8)软件将图像在解剖学上标准化至模板空间。
检测在疼痛处理过程中参与的多个双侧脑区的活动,包括:
5. 三维神经导航
6. 三维沉浸式 & 交互式神经导航(3D-IIN)
患者因右侧颞部和枕部搏动性头痛就诊于医院,疼痛强度为0-10分疼痛量表上的6分。患者此次发作为其常见的偏头痛,但不伴先兆。头痛始于本次(发作期)PET检查前5小时的清晨醒来时,患者未使用任何终止性药物治疗而耐受了头痛。据患者自述,此次头痛并未由任何明确的诱发因素引起。例如,酒精,睡眠剥夺)。未报告自主神经症状,但存在畏光和畏声。在发作期PET扫描开始后,头痛程度逐渐加重,至研究开始60分钟时达到重度水平(疼痛评分0-10分中的9分);扫描结束时进展为恶心和呕吐。症状减轻 µOR BP未检测到 在患者自发性偏头痛发作期(发作期)与基线期(发作间期)相比,观察到其脑部出现异常。图2)。在专利减少方面存在明显差异 µOR BP未检测到 内源性疼痛矩阵主要区域 µ-阿片系统,包括以下丘脑核团:右侧背外侧核(11, -19, -16:10.2%)、右侧背内侧核(6, -17, -8:11.1%)、右侧中线核(8, -19, -16:27%)和腹前核(9, -9, -12:12.0%)。此外,还观察到右侧前扣带皮层(8, 35, 14:13.7%)和左侧后扣带皮层(-5, -44, 23:11.8%)、左侧尾状核体部(-11, 6, 15:12.0%)、内侧苍白球(右侧:16, -4, -3:16.2%;左侧:-14, -4, -3:22.6%)、左侧伏隔核(-9, -11, -7:10.5%)以及海马(右侧:30, -22, -14:12.6%;左侧:-30, -22, -14:11.5%)的变化。存在一个增加的 µOR BP未检测到 仅在左侧杏仁核(-23,-4,-19:11.7%)中观察到。在脑干中,癫痫发作期间显著降低 µOR BP未检测到 从嘴侧延伸至尾侧的导水管周围灰质(PAG)(右侧:4, -28, -6:15.1%;左侧:-2, -28, -6:14.6%)(图3)。然而,大脑半球整体的百分比变化在 µOR BPND 偏头痛发作期间的变化幅度较小(右侧:8.5%;左侧:8.29%),表明其下降程度在 µOR BP未检测到 特异性地存在于大脑的疼痛矩阵结构中。

图1. 偏头痛脑部的全虚拟现实3D数据导航。首次在完全沉浸式的3D虚拟现实中探索了真实的偏头痛神经影像数据,允许学生、临床医生和研究人员在偏头痛发作期间对脑内μ-阿片受体(µOR BPND)的可用性进行无限制的数据导航(in vivo)。

图2. μ-偏头痛的脑部阿片类物质特征分析 在体内 发作期(下排)——头痛期——显示减少 μ-阿片受体可用性(µOR BP未提供源文本疼痛矩阵区域中的结果(阈值,DV = 4.50)。该结果可能代表内源性活动的增强 μ在偏头痛发作期间,作为对持续严重头痛的调节性反应,会释放-阿片肽。关键词:丘脑(Thal)、伏隔核(Nac)和前扣带皮层(ACC)。

图3. 中脑/脑桥/延髓 μ偏头痛发作期间阿片受体的可利用性 在体. 发作期(右栏)——头痛期——显示减少 μ沿导水管周围灰质(PAG)的μ-阿片受体可用性(阈值,DV = 4.50),与发作间期(左列)——即无头痛期相比。关键词:PAG:r - 头侧;m - 内侧;c - 尾侧。
在本病例报告中,首次在完全沉浸式的虚拟三维现实中探索了真实的偏头痛神经影像数据,结果显示μ-阿片受体可用性(µOR BPND)降低。µOR BPND的减少提示中枢神经系统中μ-阿片受体的占据率更高和/或受体数量减少。与发作间期扫描相比,在发作期扫描期间,疼痛相关脑网络区域的µOR BPND急性下降,可能是由于内源性阿片类物质释放并作用于μ-阿片受体,作为对持续疼痛的调节反应,从而导致更少的μ-阿片受体可供放射性示踪剂结合。
我们这项关于发作期偏头痛的神经影像学研究的创新之处在于,采用了一种全新的三维神经导航方法,可在虚拟现实中研究患者真实的脑部数据。本研究使用正电子发射断层扫描(PET)放射性示踪剂技术,通过[11C]卡芬太尼来测量μ阿片受体(µORs)可用性的变化。以往在头痛发作期间对偏头痛患者进行脑部扫描时,通常是在诱发偏头痛发作的刺激(例如,硝酸甘油、光刺激)之后进行16,17,或在特定诱发刺激(例如,疼痛、刷拭、光线和气味)的技术要求下进行18-20。这些研究均证实,偏头痛在头痛期与大脑皮层及皮层下区域的过度兴奋性相关。然而,神经影像学方案中使用如此多样的刺激引入了多种混杂因素,使我们难以清晰理解急性偏头痛发作对中枢神经系统产生的独立影响。在少数既往未施加外源性刺激的功能性研究中,已有证据表明,如扣带皮层、下丘脑和脑干等区域的局部脑血流量增加,且这种变化甚至在急性治疗后仍可持续存在2122。迄今为止,所应用的神经影像技术尚无法实现对偏头痛发作过程中涉及的神经递质/受体分子机制的表征,例如大脑中最重要的内源性镇痛机制之一——μ-阿片系统。此外,我们的方法使得能够在虚拟环境中利用三维神经导航技术对这些过程进行探索。
下行性疼痛调节系统是一个复杂的网络,通过大脑中从脊髓到高级中枢区域的μ-阿片受体在很大程度上调控疼痛信息的处理。这些区域已知参与内源性抗伤害感受、应激诱导的镇痛作用,以及常用于慢性疼痛和偏头痛治疗的阿片类药物的作用机制。事实上,与偏头痛相关的硬脑膜神经源性血管扩张可被吗啡抑制,并随后被阿片受体拮抗剂纳洛酮逆转,表明吗啡对神经源性炎症的作用是通过特异性激活μ-阿片受体介导的23。有趣的是,在人类中,内源性阿片肽/μ-阿片受体(µORs)在特定脑区的激活程度与个体抑制疼痛体验中感觉和情感成分的能力密切相关24。
在本研究中,偏头痛发作期μ-阿片受体可用性降低的脑区,负责偏头痛症状的感知及其调节过程,这些脑区包括前扣带皮层(ACC)、丘脑、基底神经节(例如,伏隔核,NAcc)、海马以及导水管周围灰质(PAG)。除了三叉神经传入信号异常导致的敏化作用外,偏头痛病理生理机制的一个有力假说是调节系统功能障碍。在这种情况下,源自或投射至脑干结构(如PAG)的神经通路——这些区域阿片受体表达水平较高——无法有效对上行感觉神经元发挥其抗伤害感受作用。此外,其他更高级的皮层结构也参与了偏头痛中这种异常的疼痛调节机制。最近一项发作间期静息态研究发现,与健康对照相比,偏头痛患者在腹外侧PAG以及疼痛调节系统中的大多数(皮层下)皮层结构的连接性发生改变,并且这些改变与头痛发作频率相关13。本研究中发现的连接性改变脑区,与我们研究中观察到μ-阿片受体BPND变化的区域一致。同一PAG区域最初曾被报道在偏头痛患者中存在微结构神经可塑性改变14,而本研究中该区域在发作期间表现出μ-阿片受体BPND的显著下降。
未来需要开展针对更大样本队列的进一步研究,以验证并拓展本病例报告中所呈现的发现。例如,目前尚不清楚为何该系统对偏头痛门诊中常开具的外源性阿片类药物的长期使用无法产生适当反应。尽管如此,本研究提供了关于偏头痛发作对μ-阿片系统影响的重要机制性信息,并首次采用了一种新颖的三维沉浸式交互神经导航(3D-IIN)方法。未来,这种探索性的三维方法可能为在科研和临床实践中检查患者大脑提供更加沉浸且交互性强的视角。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了以下资助(DaSilva AF):美国国立卫生研究院-国家神经疾病与卒中研究所-K23 NS062946项目、Dana基金会脑与免疫成像奖以及偏头痛研究基金会研究资助奖。作者感谢正电子发射断层扫描中心核医学技术员(Jill M. Rothley、Edward J. McKenna、Andrew R. Weeden、Paul Kison 和 Caitlin Hendricks)以及功能磁共振成像实验室工作人员(Scott Peltier 和 Keith Newnham)的支持。首席研究员 Alexandre DaSilva 博士享有本研究中所有数据的完全访问权限,并对数据的完整性及数据分析的准确性负责。作者声明本研究不存在任何利益冲突。