利用临床前正电子发射断层扫描结合可注射放射性探针18F-氟脱氧葡萄糖，可对大鼠脑缺血所致的脑损伤进行无创成像和研究。此外，使用包含感兴趣区域（VOI）脑模板的现代软件工具，可显著提高从这些研究中获得的定量信息。
本文内容
摘要
摘要
卒中是美国65岁及以上人群的第三大死因1。大多数卒中患者的生存质量无法恢复到正常水平2，这主要归因于目前尚无针对急性卒中的有效临床治疗方法。因此，迫切需要深入了解脑缺血随时间推移对脑组织产生的生理影响，这也是当前活跃的研究领域之一。为此，研究人员已利用大鼠作为卒中的临床前模型取得了实验进展，特别是采用诸如18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）结合正电子发射断层扫描（PET）成像等非侵入性方法3,10,17。本文介绍了一种通过阻塞大脑中动脉（MCAO）在大鼠中诱导脑缺血的策略，该方法可模拟人类的局灶性脑缺血，并利用FDG-PET结合X射线计算机断层扫描（CT），通过Albira PET-CT仪器对缺血效应进行24小时连续成像观察。随后，将一个VOI模板图谱与大鼠脑部数据融合，以实现对大脑及其亚区的无偏分析4。此外，本文还介绍了一种FDG-PET-CT时间序列的三维可视化方法。综上所述，我们提供了一套详细的实验方案，用于在活体Sprague-Dawley大鼠体内以三维方式启动、定量分析和可视化诱导性缺血性卒中事件。
引言
脑卒中是发达国家的主要死亡原因之一，直接导致每19名美国人中有1人死亡1。据估计，每年约有79.5万美国人发生脑卒中，其中87%为缺血性卒中5。在缺血事件发生期间，皮层神经元持续获得氧气和葡萄糖的能力严重受损，从而引发缺氧环境，导致受累脑区细胞功能下降。根据脑卒中的严重程度，脑血流量和葡萄糖摄取在空间和时间上存在差异。
脑卒中造成的损伤可通过无创方法进行识别，例如18F-氟脱氧葡萄糖（FDG）正电子发射断层扫描6。FDG 是一种葡萄糖类似物，其 2’ 位的羟基被可发射正电子的18F 同位素取代。18F 的优势在于其半衰期较长，为 110 分钟，因此可用于检测脑组织中的葡萄糖消耗。FDG PET 可生成脑内脱氧葡萄糖消耗的定量高分辨率图谱7，因为18F 倾向于在葡萄糖消耗较高的区域聚集，表明这些组织具有较高的代谢活性8。18F 原子核发生β衰变，释放出一个正电子，该正电子迅速与邻近的电子湮灭，产生伽马射线，仪器通过检测这些伽马射线进行成像。在同一受试者中可重复进行 FDG PET 扫描，两次扫描之间至少需间隔 10 个18F 半衰期，即约 18 小时，从而为研究同一受试者脑活动随时间的变化提供了一种方法。
在评估中风的影响及中风治疗效果时，通常使用大鼠等临床前动物模型。由于FDG PET具有非侵入性，因此可在不干扰动物生理状态的情况下，用于随时间测量中风的影响。根据中风事件发生的位置不同，大脑的不同区域可能受到影响。然而，对于大鼠等小型动物而言，手动界定并量化大鼠脑内特定区域的活动具有挑战性。为了能够随时间比较大鼠脑内特定区域的葡萄糖代谢活性，必须对需量化的感兴趣区域（VOI）进行一致性的勾画。目前已开发出精确的大鼠脑图谱以缓解这一问题9，并已将其转化为数字形式，用于临床前FDG-PET数据的量化分析。本文介绍一种以一致且系统的方式对中风组织损伤进行分类的方法。该方法详细描述了在动物模型中诱发脑缺血的手术操作、量化受中风影响的特定脑亚区，以及利用适当的技术和工具生成中风组织损伤范围与位置的三维可视化图像。通过本研究所述的方法，研究人员可对大鼠一致地诱发脑缺血，进行PET成像，并利用定义好的脑区随时间量化临床前中风模型中FDG摄取的变化。
方案
动物操作及所有相关实验均严格遵循由圣母大学机构动物护理与使用委员会批准的方案（方案编号 14-086）进行。
1. 动物
- 动物与卒中诱导：所有卒中研究均使用体重在 220 至 270 g 之间的雄性 Sprague Dawley 大鼠。
- 通过鼻罩使用 2.5% 异氟烷（2 L/min，100% O2）对大鼠进行麻醉。
- 将动物仰卧位放置于加热垫上，固定前肢。
- 剃除颈部腹侧毛发，先用 70% 乙醇处理剃毛区域，再用 10% 聚维酮碘溶液处理。
- 本操作使用无菌器械；动物准备完成后更换手套，并采用无菌操作技术。
- 使用剪刀沿气管右侧 0.5 cm 处平行于气管方向做 2–2.5 cm 的切口，钝性分离以暴露颈总动脉。
- 使用牵开器以更好显露血管，并在颈总动脉（CCA）上放置微型夹钳。
- 找到第一个分叉点，即为外颈动脉（ECA）和内颈动脉（ICA）。电凝处理附着于 ECA 的小分支，如枕动脉。
- 用 4-0 蚕丝缝线在靠近甲状腺动脉分支处结扎 ECA。缝线应留有足够长度，以便止血钳夹持。
- 在缝线近头端（颅侧）电凝 ECA。将止血钳夹住缝线并轻拉 ECA 向尾侧，使其与 CCA 平行。
- 定位 ICA，并使用另一微型夹钳阻断该动脉。
- 使用小型弹簧剪刀在 ECA 上剪一小孔，将栓塞线插入 ECA，并用缝线结扎固定栓塞线以防止出血。
- 松开 ICA 上的微型夹钳，推进栓塞线直至遇到阻力。
注意：确保栓塞线进入 ICA 而非翼腭动脉。栓塞线应顺利推进，若位置正确，其白色尖端不应可见。 - 移除 CCA 上的微型夹钳，剪除多余的栓塞线或缝线。
- 使用 9 mm 自动夹闭器关闭皮肤切口。
- 将动物从麻醉中移出，使其苏醒。2 小时后：
- 用异氟烷对大鼠重新麻醉。
- 移除伤口夹。
- 找到栓塞线末端，轻柔牵拉将其从大脑中动脉撤出，直至栓塞线的白色尖端与缝线接触为止。切勿完全拔出，以免引起出血。
- 重新将伤口夹固定于切口处。
- 将动物从麻醉中移出，使其苏醒。
2. 图像采集
每只大鼠进行三次PET和CT扫描。在诱导卒中前1-2天进行一次预扫描，以提供18F-FDG摄取的基线数据。在卒中后1.5小时（再灌注前）对每只大鼠进行扫描（此时动物体内仍保留阻塞装置）。在卒中后26小时（再灌注后24小时）对每只大鼠进行扫描，以量化卒中损伤所致的脑组织损害。
注意：本文稿其余部分提到的24小时时间点，指的是大鼠接受扫描时的再灌注后时间。
- 在麻醉舱内使用2.5%异氟烷气体对大鼠进行麻醉。
- 向大鼠尾静脉注射约500 µCi的18F-脱氧葡萄糖（FDG）（总体积200 µl）。
- 等待1小时。
- 将麻醉后的大鼠置于标准大鼠床面上，通过鼻罩给予异氟烷麻醉。测量大鼠鼻部与大鼠床边缘之间的距离（单位为mm），以确定水平偏移量。
3. 图像采集
- 打开 Albira Suite 软件。
- 选择 Acquirer。
- 命名新研究。
- 在 PET 或 SPECT 下点击 添加 > 选择 PET 协议，然后点击 添加。
- 在 CT 下点击 添加 > 选择 CT 协议，然后点击 添加。
- 点击 PET 下 初始水平位置 对应的数值，将其设置为大鼠鼻尖至鼠床前端之间测得的距离（单位：mm）。对 CT 重复此操作。
- 将 受试对象 设为 大鼠，并输入以克为单位的体重。
- 将 化合物 设为 FDG。
- 设置 注射时间、注射日期 和 剂量。
- 点击 开始研究 按钮。
注意：PET-CT 扫描完成后，数据将自动保存。 - 打开 Albira Reconstructor。
- 将 待处理 更改为 最近 10 个或全部。
- 选择扫描文件名。
- 点击 添加。
- 点击 开始重建。注意：文件将以 MicroPET 格式保存。
4. 图像分析
- 使用 PMOD 分析软件结合 W. Schiffer 脑图谱进行图像分析。
- 打开 PMOD > Fusion。
- 在屏幕顶部导航至 CoRegistration Preprocessing 选项卡。
- 在屏幕中央打开 Load Reference 下拉菜单，选择 NifTI。导航至 C://PMOD3.2/resources/templates/usertemplates，选择 Rat(W.Schiffer)-FDG.nii，然后点击 Open。
- 在屏幕右侧打开 Load Input 下拉菜单，选择 MicroPET。导航至所需的 MicroPET 文件，选择该文件并点击 Open。
- 在屏幕顶部导航至 Manual CoRegistration 选项卡。
- 选择右侧中间组选项卡中的第四个标签页（Reslicing）。
注：MicroPET 扫描图像上将出现两个按钮。 - 使用空心白色矩形旋转 MicroPET 扫描图像，使用实心白色矩形移动 MicroPET 扫描图像。对齐两幅图像。为此，可定位哈德氏腺（harderian glands）以及大脑前部和后部的解剖标志，以匹配 MicroPET 扫描图像与脑模型。然后调整 MicroPET 扫描图像，使其与脑图谱（W. Schiffer）对齐。
注：例如，哈德氏腺在 MicroPET 扫描图像和脑图谱（W. Schiffer）中均显示为高亮区域，可作为对齐的参考点。 - 如有需要，在冠状面中将 MicroPET 扫描图像旋转 180°，并在矢状面中显著抬高扫描图像，同时进行其他微小的方向调整。
- 在屏幕顶部导航至 Full Screen Fusion (VOIs) 选项卡。
- 在屏幕右上角选择 Source A。
- 在页面底部导航至 Template > Atlas。
- 从下拉菜单中选择 Rat (W. Schiffer)。
注：（可选）返回 Manual CoRegistration 选项卡，此时图谱应叠加显示在脑图谱（W. Schiffer）上。可利用该图谱辅助对齐 MicroPET 扫描图像与脑图谱（W. Schiffer）。对齐完成后，返回 Full Screen Fusion (VOIs) 选项卡。脑图像上将显示一个模板，指示将对哪些脑区进行 VOI 统计分析。 - 在屏幕右上角选择 Source B。
- 在屏幕右上角选择 VOI Statistics 按钮。
注：将出现一个电子表格。 - 选择 Save。
注：将弹出“Write As [VOI Statistics]”窗口。 - 选择 Save to File System。
注：将弹出“PMOD (save): choose components”窗口。 - 在文件名字段中输入所需的文件名。
- 选择 Save。
- 使用 Microsoft Office Excel 2010 进行数据分析。
- 打开 Excel。
- 选择 File > Open。
- 将文件类型从 所有 Excel 文件 更改为 所有文件。
- 导航至保存的 VIOSTAT 文件，选择所需文件。
注：将出现导入向导。 - 选择 Finish。若使用 Mac 系统，可双击 VOISTAT 文件，该文件将直接以 Excel 文件格式打开。
- 选择包含字段 VoiName(Region) 的列，复制其中信息并粘贴至新的 Excel 文件中。
- 选择包含字段 Averaged 和 [1/1] 的列，复制其中信息并粘贴至新的 Excel 文件中。
- 对所有 VOISTAT 文件重复此过程。
- 为每组数据创建一个新的工作表标签。
- 返回第一个工作表标签，选择一个新单元格。通过将大脑右侧区域的数值除以左侧区域的数值，计算脑区右侧与左侧的比值。在列表中，属于大脑右侧的脑区位于属于左侧的脑区之前。对所有脑区重复此计算。
- 选择一个新单元格，使用 AVERAGE 函数计算所有小鼠中上述比值的平均值。
- 选择一个新单元格，使用 STDEV 函数计算每个脑区的标准误（SEM），再除以小鼠数量的平方根。
- 对每组数据重复此操作。
5. 图像可视化
- 使用 PMOD 分析软件将图像转换为 analyze 文件格式。
- 打开 PMOD > View。
- 在屏幕顶部导航至 View 选项卡。
- 在屏幕右侧打开 Load 下拉菜单，选择 MicroPET。浏览至所需的 MicroPET 或 CT 文件，选中后点击 Open。
- 在屏幕右侧打开 Save 下拉菜单，选择 Analyze。导航至目标存储位置，在 File Name 字段中输入所需文件名，然后选择 Save。
- 使用 VolView 成像软件创建图像序列。
- 打开 VolView。
- 在屏幕左侧选择 Open File。
- 导航至所需扫描的 CT 数据文件的 analyze 格式版本，选中后点击 Open。
注：将出现“打开文件向导”窗口。 - 在弹出窗口中点击 Next，使用默认设置。
- 在屏幕左侧选择 Plugins 选项卡。
- 打开 Plugin 下拉菜单，选择 Utility > Merge Volumes。
- 取消勾选 Rescale Components。
- 选择 Assign Second Input。
- 导航至同一扫描的 MicroPET 数据文件的 analyze 格式版本，选中后点击 Open。
注：将出现 Open File Wizard 窗口。 - 在每个界面中点击 Next，使用默认设置。
注：MicroPET 扫描图像将叠加显示在 CT 扫描图像上。 - 在屏幕左侧选择 Color/Opacity Settings 选项卡。
- 在屏幕右下角打开 Component 下拉菜单，选择 1。
注：此操作确保后续操作仅影响 CT 扫描图像。 - 在 Scalar Color Mapping 区域中，选中滑块中间的点，并将其拖出滑块区域以删除。
- 选择左侧的点。
注：将出现 Color Picker 窗口。 - 将该点颜色更改为黑色。
- 选择右侧的点。
注：将出现 Color Picker 窗口。 - 将该点颜色更改为白色。
- 在 Scalar Opacity Mapping 区域中，通过在框内任意位置单击添加一个点。
- 调整该区域，直至 CT 图像仅显示大鼠的骨骼结构。
- 勾选 Enable Shading。
- 在屏幕左侧选择 Review 选项卡。
- 将 Number of Frames 更改为 72。
- 将 X rotation 更改为 360。
- 选择 Create。
- 导航至目标存储位置，通过在空白区域右键单击并选择 New > Folder 创建新文件夹以存储图像。
- 在 File Name 字段中输入所需文件名，然后选择 Save。
注：将出现 Frame Size 窗口。 - 选择 OK。
- VolView 将生成图像。完成后，将弹出提示窗口显示 “Your movie was created successfully!”，点击 OK。
- 返回至 Color/Opacity Settings 选项卡。
- 在 Component Weight(s) 下，调整组件 1 的滑块，使其值为 0。
注：此时仅显示 MicroPET 扫描图像。 - 重复 步骤 5.2.21–28 以创建第二个图像序列。
- 返回至 Color/Opacity Settings 选项卡。
- 在 Component Weight(s) 下，调整组件 2 的滑块，使其值为 0。
注：此时仅显示 CT 扫描图像。 - 重复 步骤 5.2.21–28 以创建第三个图像序列。
- 使用 ImageJ 软件生成旋转动画（如视频中所示）。
- 打开 ImageJ。
- 选择 File > Import > Image Sequence。
- 导航至仅包含预扫描 CT 数据图像的文件夹，选择第一张图像后点击 Select。
注：将出现 Sequence Options 窗口。 - 选择 OK。
- 选择 File > Import > Image Sequence。
- 导航至仅包含预扫描 MicroPET 数据图像的文件夹，选择第一张图像后点击 Select。
注：将出现 Sequence Options 窗口。 - 选择 OK。
- 选择 File > Import > Image Sequence。
- 导航至同时包含预扫描 CT 和 MicroPET 数据图像的文件夹，选择第一张图像后点击 Select。
注：将出现 Sequence Options 窗口。 - 选择 OK。
- 选择 Image > Stacks > Tools > Combine。
注：将出现 Combiner 窗口。 - 打开 Stack1 下拉菜单，选择包含 CT 数据的图像栈。
- 打开 Stack2 下拉菜单，选择包含 MicroPET 数据的图像栈，然后点击 OK。
注：将出现一个包含两个扫描图像的新图像栈。 - 选择 Image > Stacks > Tools > Combine。
注：将出现 Combiner 窗口。 - 打开 Stack1 下拉菜单，选择包含已合并图像栈的图像栈。
- 打开 Stack2 下拉菜单，选择包含 CT 数据和 MicroPET 数据的图像栈，然后点击 OK。
注：将出现一个包含全部三个扫描图像的新图像栈。 - 保持合并后的图像栈处于打开状态，对 1.5 小时后扫描和 24 小时后扫描的图像栈重复执行 步骤 5.3.2–16。
- 选择 Image > Stacks > Tools > Combine。
注：将出现 Combiner 窗口。 - 打开 Stack1 下拉菜单，选择包含全部预扫描数据的图像栈。
- 打开 Stack2 下拉菜单，选择包含全部 1.5 小时后扫描数据的图像栈。
- 勾选 Combine Vertically。
- 选择 OK。
注：将出现一个包含预扫描和 1.5 小时后扫描图像的新图像栈。 - 选择 Image > Stacks > Tools > Combine。
注：将出现 Combiner 窗口。 - 打开 Stack1 下拉菜单，选择包含已合并图像栈的图像栈。
- 打开 Stack2 下拉菜单，选择包含全部 24 小时后扫描数据的图像栈。
- 勾选 Combine Vertically。
- 选择 OK。
注：将出现一个包含全部九个扫描图像的新图像栈。 - 选择 File > Save As > AVI。
- 选择 OK。
- 导航至目标存储位置，在 File Name 字段中输入所需文件名，然后选择 Save。
结果
通过闭塞大脑中动脉，在活体 Sprague-Dawley 大鼠中诱导脑缺血，并随后进行核成像以检测其效应。在脑卒中诱导前 24 小时以及缺血后 1.5 小时和 24 小时，分别对活体大鼠进行成像，每次成像均独立注射约 500 µCi 的18F-FDG，该示踪剂在 18 小时内完全衰变。本研究使用的三探测器环 Albira 系统灵敏度为 9%，因此 500 µCi 对大鼠而言是合理的剂量。在图 1中，分别于再灌注前 24 小时和再灌注后 24 小时时间点，展示了大鼠的 PET 与 X 射线 CT 扫描的代表性成像数据，分别对应图中上排和下排。每次扫描的横断面（图A和E）、矢状面（图B和F）和冠状面（图C和G）切片均以“彩虹”强度色标显示 FDG-PET 数据，并叠加于灰度 CT 图像之上。需注意，CT 用于动物颅骨内 PET 数据的解剖学共定位，本实验中未观察到脑组织的放射密度变化。在 24 小时时，同侧半球的葡萄糖摄取显著下降，提示由诱导的缺血性脑卒中导致广泛组织损伤。叠加数据的三维重建结果见图 1D和H。当在屏幕上旋转时，这些三维重建数据可更清晰地展示脑卒中引起的 FDG 摄取减少情况。
为了以时空方式量化中风引起的脑葡萄糖摄取变化，将一个感兴趣区域（VOI）脑图谱应用于每次扫描的中风前基线、1.5 小时和 24 小时（再灌注后）。该过程使用 PMOD 软件包，并结合W. Schiffer大鼠脑模板与图谱完成。首先，在“重切片”选项卡下使用“移动”和“旋转”工具，通过手动共配准将每套大鼠脑 PET 数据集转换至相应的空间和几何位置。注意，如有需要，也可使用“缩放”工具调整整体脑大小。尽管使用Schiffer图谱比在脑空间内手动绘制感兴趣区域更为优越，但不准确的脑融合可能引入实验误差。因此，在某些情况下，可能需要增加动物数量以达到统计学显著性。接下来，自动应用 W. Schiffer VOI 脑图谱，以标准摄取值单位测量大鼠脑内定义的亚区中 FDG 的积聚（图 2）。该脑 VOI 图谱还可与标准脑模型迭代使用，以进一步优化实验数据的手动融合。由于每只动物的中风事件均局限于右侧脑半球，因此通过计算对侧区域之间的葡萄糖摄取活性比值来量化各区域的损伤（图 2）。使用这些比值可在左右半球之间提供便捷的归一化，消除在不同扫描间比较 PET 信号强度值时可能出现的变异性。在中风后 1.5 小时，缺血区域的18F-FDG 摄取未受影响，因此在对侧与同侧半球之间的葡萄糖摄取中未观察到定量变化（图 3，蓝色和绿色柱状图）。这可能是由于缺血周围区域对葡萄糖的高摄取，或在此时间点葡萄糖代谢增加以补偿细胞 ATP 的损失10,11。然而，在再灌注后 24 小时，在多个动物（n = 5）中观察到同侧半球特定区域的葡萄糖摄取显著下降（图 3，红色柱状图）。其他脑区在同侧半球中表现出轻微或无损伤。
具体而言，同侧半球中FDG摄取持续降低的脑区包括：杏仁核、尾状壳核、听觉皮层、内嗅皮层、岛叶、旁皮层以及大脑皮层的体感区域。由卒中引起的皮层损伤常伴随神经元连接的丧失以及功能图谱的改变。卒中导致的杏仁核结构异常可引发精神病理学改变和认知功能障碍12。由于该区域外侧部分的脑血流由闭塞的中动脉供血，因此尾状壳核区域FDG摄取受损并不意外13。啮齿类动物脑中该区域的病理改变可导致辨别学习能力受损、认知处理障碍以及非运动功能异常14。在缺血半球的内侧颞叶中，内嗅皮层和听觉皮层也表现出FDG摄取能力下降。2001年，Davis et al. 报道指出，大鼠内嗅皮层损伤会导致感觉整合障碍以及持续的空间学习缺陷15。听觉功能障碍在人类卒中患者中虽不常见，但已有报道16。然而，在本模型中，作为主要听觉通路之一的下丘对FDG的摄取并未受到卒中的影响。已有研究表明，由于岛叶皮层梗死——本模型中显示FDG摄取较差的脑区之一——MCAO诱导的卒中大鼠体内肾上腺素、去甲肾上腺素水平升高，交感神经活动增强17。这可能导致自主神经功能改变，进而影响心脏系统。前顶叶皮层的体感区域也观察到FDG摄取减少。该区域的缺血性梗死已被报道可导致结构异常以及丘脑连接的丧失18。视觉皮层也出现FDG摄取受限，这可能导致视觉优势眼可塑性受损，正如在经历缺氧缺血的新生大鼠中所报道的那样19。然而，在参与视觉运动导向的上丘区域，并未观察到FDG摄取减少20。海马区的FDG摄取同样受损，而该区域在空间记忆与导航中具有重要作用。一致观察到的是，中脑的亚区，如上丘和下丘、腹侧被盖区（VTA）、前脑的嗅球以及深部丘脑，在大脑中动脉闭塞后并未受到影响（图3）。
综上所述，这些结果表明，采用CT的FDG-PET提供了一种可行、可重复且无创的影像学策略，可用于纵向监测大鼠的脑缺血。
图1：大鼠脑缺血前后PET-CT数据。每行分别显示一只大鼠在再灌注前24小时（上排）和再灌注后24小时（或脑缺血诱导后26小时，下排）的横断面(A, E)、矢状面(B, F)、冠状面(C, G)以及三维重建(D, H)的PET-CT图像。白色箭头指示因卒中损伤导致FDG摄取减少的部位。请点击此处查看该图的放大版本。
图2：使用PMOD将PET数据与W. Schiffer大鼠脑图谱对齐。 大鼠在再灌注后24小时（即脑缺血后26小时；上排）的FDG-PET数据与VOI脑模板图谱融合用于分析（下排）。颜色表示脑模板图谱中不同的VOI区域。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3：大鼠脑组织不同切片区域葡萄糖摄取的代表性定量分析。 根据 W. Schiffer 大鼠脑图谱中各脑区的FDG PET信号（标准摄取值单位）计算出的左右半球信号比值，分别对应缺血性卒中事件前（pre；蓝色）、再灌注后1.5小时（绿色）和24小时（红色，或再灌注后26小时）的扫描结果。误差线表示每个时间点 n = 5 次大鼠脑卒中实验的标准误。**p ≤ 0.01，*p ≤ 0.05（配对t检验）。请点击此处查看该图的高清版本。
图 4：大脑中动脉阻塞（MCAO）手术示意图。 红色线条为插入颈外动脉的阻断丝线。蓝色椭圆代表脑部区域。
讨论
本文介绍了一种在Sprague-Dawley大鼠中诱导脑卒中、进行PET成像以及标准化测量脑组织损伤亚区的详细策略。小动物模型的成像研究，特别是在脑卒中领域具有重要意义，因为脑卒中治疗的有效性依赖于极短的治疗时间窗。本文采用一种损伤-再灌注模型，通过阻塞大脑中动脉诱导脑卒中，并使用FDG进行PET成像，同时结合X射线CT提供解剖学参考。借助PMOD图像分析软件，将VOI模板图谱精确映射至大鼠脑部，从而实现了对脑内各亚区FDG摄取量的系统化定量分析。通过将对侧半球相应脑区的FDG摄取值进行比值计算，获得标准化的比值数据，这种方法可在消除不同动物及不同时间点间整体FDG PET信号差异的基础上，简便地评估脑损伤程度。这些测量结果与脑卒中对大鼠脑组织的预期影响一致，持续且显著地显示出同侧半球特定区域脑组织葡萄糖摄取能力的下降。该方法有望提升我们对经历多种类型脑损伤（包括缺血性脑卒中）动物的FDG PET数据集进行比较分析的能力。通过在不同动物及脑半球之间标准化定量分析的体积范围，该方法可生成一致且可靠的组织葡萄糖摄取降低的测量结果。需要注意的是，其他具有脑组织摄取特性的PET示踪剂（如用于D2受体的11C-雷氯必利）也可适用于本实验方案21。最后，我们描述了一种在三维空间中以高解剖精度将大鼠脑缺血性卒中病灶与其骨骼结构共同可视化的成像方法。由于脑卒中引起的生理和功能障碍可能是暂时性或永久性的，这种非侵入性成像技术使研究人员能够在同一动物个体上随时间推移动态评估脑损伤情况，从而对大鼠进行神经功能评分，并评估其短期和长期的神经功能缺损。PMOD软件的模板功能使研究人员能够以较高精度定位损伤区域，并可能将其与神经后遗症及行为模式相关联。
为了按脑区准确量化脑卒中损伤，关键步骤是在 PMOD 软件中将 PET 数据与大鼠脑图谱进行对齐。对齐不一致可能导致对缺血影响脑区的量化结果错误。如实验方案步骤 4.1.7所述，可利用哈氏腺作为解剖标志，辅助将脑图谱与实验性 PET 数据对齐。在该类分析中需注意部分容积效应（PVE），其会限制可成像脑结构的整体分辨率。信号溢出可能发生在相邻体积之间，或感兴趣体积（VOI）本身相对于仪器分辨率过小，从而降低该方法的定量准确性22。本研究所用的 Albira PET 系统配备三个探测器环，空间分辨率为 1.1 mm，相较于此前单环系统实现的 1.5 mm 有所提升23。Buvat 及其同事指出，当肿瘤直径小于系统分辨率（全高半宽，FWHM）的 2–3 倍时，PVE 将显著影响测量结果；对于三环 Albira 系统，这相当于 5.6–18.9 mm3 的球形体积。Casteels 等 近期指出，对于分辨率为 1.1–1.3 mm 的现代临床前 PET 扫描仪，体积大于 8 mm3 的结构其部分容积效应可忽略不计24。Schiffer 图谱在构建时已充分考虑上述参数，共包含 58 个 VOI，其中 13 个 VOI 体积低于 8 mm3 的阈值。这些 VOI 包括内侧前额叶皮层左右半球（6.3 mm3，R/L）、Par A 皮层（7.6 mm3，R/L）、上丘（7.1 mm3，R/L）、腹侧被盖区（VTA，5.5 mm3，R/L）、下丘（5.7 mm3，R/L）、垂体（5.9 mm3）以及小脑血流量（CB bloodflow，5.1 mm3）。此外，前额叶皮层的测量值（1.4 mm3，R/L）由于体积过小，最易受 PVE 影响。
与小鼠相比，大鼠等体型较大的动物其解剖结构尺寸相应增大，因此可被可靠定量的脑亚区数量更多。尽管如此，这些方法同样适用于小鼠的脑成像研究，PMOD 中已提供适用于小鼠的脑图谱，该图谱由 18 个脑亚区组成，各区尺寸经过优化以最小化部分容积效应（PVE）。此外，若需利用正电子发射断层扫描（PET）识别比本研究中所描述更小的脑区，则可能需要采用其他替代方法。本文所述方法可对活体大鼠按脑亚区进行分段，实现随时间推移对脑组织损伤的系统化和高效定量。文中以缺血所致脑损伤为例进行说明，但该脑活动变化的定量方法亦可应用于任何其他影响大鼠脑部的病理状况。
综上所述，小动物的FDG-PET-CT数据可以以无创且经济的方式获取，并可方便地用于小动物的定量成像研究。利用PMOD程序中的Schiffer模板工具，可勾画出脑部缺血区域并测量PET数据。该方法是未来研究脑缺血后脑组织重组、修复及神经发生的重要工具，将有助于推动针对卒中致残患者的神经治疗策略的发展。此外，这种可视化方法在评估其他类型的脑损伤时也具有重要价值，可实现不同成像模态间组织损伤区域的精确匹配。
披露
WML 是布鲁克分子成像公司的顾问
致谢
本研究得到了布鲁克分子成像公司（授予 WML）以及美国国立卫生研究院（NIH，资助号 HL019982，授予 FJC）的资助。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Albira PET SPECT CT | Bruker | 三维分子成像设备 | |
| Sprague Dawley 大鼠 | Charles River Laboratories | 400 | 实验动物 |
| 18-F-D-葡萄糖 | Spectron | PET 示踪化合物 | |
| 微型钳 | FST | 18055-03 | 动脉夹 |
| 阻断器 #4037 | Doccol Corp. | 403712PK10 | 手术性脑卒中诱导 |
参考文献
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