创伤性颅脑损伤动物模型及功能磁共振成像技术在其研究中的应用进展

赵博，张雪宁

(天津医科大学第二医院，天津300211)

·综述·

创伤性颅脑损伤动物模型及功能磁共振成像技术在其研究中的应用进展

赵博，张雪宁

(天津医科大学第二医院，天津300211)

创伤性颅脑损伤(TBI)发病率在各种创伤中位居首位。应用动物模型模仿人类TBI的特点，可以用来了解人类颅脑损伤的病理状态并对其进行研究。磁共振成像(MRI)对颅脑成像具有很大的优势，特别是功能磁共振成像(fMRI)技术，能够反映脑组织的某些功能状态，可为了解TBI的病理生理机制、制定治疗方案及评估预后提供帮助。

创伤性颅脑损伤；动物模型；磁共振成像；功能磁共振成像

创伤性颅脑损伤(TBI)是现代社会中导致患者死亡或残疾的主要原因之一。美国及欧洲TBI发生率为200～300/10万[1]。人类颅脑损伤一般分为局灶性和弥漫性两大类，局灶性损伤主要为脑挫裂伤，弥漫性损伤主要由钝性脑外伤引起，两种损伤常交互作用，但二者导致的病理表现及形态学损害各不相同。为了阐明这些交互作用之间的关系，研究者设计出各种动物模型来模仿人类TBI的特点，其目的是利用动物模型来复制脑外伤的某些病理过程或阶段，以用于TBI病理或治疗方面的研究。磁共振成像(MRI)对颅脑成像具有很大的优势，特别是功能磁共振成像(fMRI)技术，能够反映脑组织的某些功能状态。本文对TBI动物模型及fMRI技术在其研究中的应用进展作一综述。

1 TBI动物模型

1.1 惯性加速颅脑损伤模型 当头部旋转加速度超过一定界限时，会造成颅脑剪切损伤和(或)变形损伤。交通事故中颅脑损伤患者大部分是由旋转力造成的弥漫性颅脑损伤。因此，研究人员建立惯性加速颅脑损伤动物模型，对旋转导致的颅脑损伤进行研究。该模型的实验对象多选用小猪[2]。目前，对于研究广泛的深部白质及灰白质连接处的轴索损伤来讲，这是惟一被认可的实验模型[3]。

1.2 固定冲击颅脑损伤模型 该模型是通过冲击器产生的机械能量打击动物的硬脑膜来制造外伤性颅脑损伤。造模时动物的头部通常保持固定，常使用压缩空气作为机械能的来源。这种模型主要是用于复制各种合并硬膜外血肿和(或)硬膜下血肿的局部脑挫伤。

1.3 落重法闭合性颅脑损伤模型 将实验动物麻醉后放置在装置台上，通过自由下落的重物打击颅脑后产生颅脑损伤[4]。由于重物高度和重量的不同，可以产生从轻到重的各种TBI。对于轻度损伤而言，该模型可以在不出现明显脑挫伤或局灶性损害的情况下制造类似于脑震荡的损伤。随着打击力度的增加，此模型还可以制造类似于临床上脑挫伤的颅脑损伤。

1.4 液压冲击颅脑损伤模型 液压冲击颅脑损伤模型是通过在颅骨上开一个骨窗，然后通过液压系统对硬脑膜表面进行快速冲击来对脑组织造成损伤。经过不断的技术改进，目前此模型已经能够用来制备各种程度的颅脑创伤[5]。该模型应用的动物是大鼠，能使其产生单侧半球损伤。近年来，侧方液压冲击模型也被广泛使用，该模型是脑损伤实验的代表性模型。

1.5 压缩气击法颅脑损伤模型 压缩气击法由Shapira等[6]首先采用，用于复制脑皮质损伤模型。其方法是将大鼠麻醉后，在其头顶部开窗，保持硬脑膜的完整，在紧贴硬脑膜处安装一垂直压缩气击装置，通过其产生的高速运动的空气冲击硬脑膜下的脑皮质，引起皮质损伤。气击量由气流速度和形变大小两个参数决定，实验时可依据气击量来衡量脑损伤的程度，制造不同分级的脑损伤。目前，该方法可以复制多种类型的脑损伤。

1.6 机械震荡法颅脑损伤模型 该法于1970年被首先报道，其后Tornhein等对该模型加以改进使其更加接近于临床机械性脑损伤，该模型主要用于复制加速型颅脑损伤，其方法是将麻醉后的猫头置于一弹簧软托上，头的上方安装一活塞，活塞下面固定一圆形挫盘，挫盘与颅骨之间垫几块纱布。通过一个与活塞相连的挫杆，突发冲击活塞，推动颅骨，使猫头产生加速运动，造成加速型颅脑损伤[7]。

2 fMRI在TBI动物模型中的应用

近几年来，fMRI发展迅速，很多新技术和新的成像序列都开始应用于TBI动物模型的研究中，其中以弥散张量成像(DTI)、波谱成像(MRS)及磁敏感加权成像(SWI)技术研究的最为广泛。

2.1 DTI DTI是利用脑白质中水分子在平行于神经纤维束的方向上较垂直方向上弥散度更高这一特点，对脑白质纤维束进行成像。DTI可以直观显示脑组织纤维束损伤，表观弥散系数(ADC)值和各项异性分数(FA)值是其两个最重要的参数。ADC值的升高提示存在血管源性水肿，降低则反映存在细胞毒性水肿；FA值则可以评价组织结构的完整性，FA值降低提示神经纤维束被破坏。ADC值和FA值可以作为早期诊断TBI和评估TBI预后的有效指标，而FA值较ADC值更敏感和准确[8]。

DTI还可重建纤维束走行的立体结构，这种技术称为磁共振弥散张量纤维束成像(DTT)[9]，它可以描绘出脑白质纤维束的走行及空间分布，同时显示脑内病变对白质纤维束结构的直接或间接影响[10]。目前，应用DTI对动物模型的研究主要目的有两方面：一方面是早期发现颅脑损伤，颅脑损伤后除了受伤部位的损伤外，其余部位继发性的脑损伤越来越受到重视，如何能早期检测出这些损伤是目前临床面临的问题。Oron等[11]在动物研究中发现，在常规MRI显示为正常的脑组织区，FA值也表现为降低，通过测量发现损伤早期白质损伤区FA值明显下降，并且其下降程度与胶质细胞增生和脱髓鞘相关。另一方面，对出现脑损伤的动物，可通过研究其DTI变化对其预后做出早期判断。多数研究对于DTI的诊断价值予以肯定。Budde等[12]发现，挫裂伤病灶周围脑组织各向异性下降。DTI技术是目前惟一的活体评价白质纤维束各向异性的手段，还可用于监测TBI后期神经功能重建情况。DTI对脑损伤中白质损伤的诊断价值非常高，如何通过FA值的变化定量分析脑损伤的程度，是今后研究的重点。

2.2 MRS MRS可以在活体条件下观察脑内代谢物的变化情况，常被应用于动物模型的研究[13]。MRS是目前惟一一种在无创条件下分析脑组织代谢变化的检查方法。通过比较TBI患者脑内代谢物浓度的变化，可以评价脑损伤的病情程度及对预后做出准确判断。

脑损伤发生后，在损伤区域内作为神经和轴索标志物的N-乙酰基天门冬氨酸(NAA)表达下降，血肿在MRS上表现为各种代谢物水平的一致下降[14]。Rubovitch等[15]在大鼠液压脑损伤模型中首先发现脑外伤可引起脑组织NAA减低。Coudon等[16]研究发现，TBI后24 h内挫伤脑区就可发现NAA降低，并可以检测到乳酸代谢物。在伤后亚急性期，即使在MRI表现正常的白质区域也可见到NAA降低[17]。Fievisohn等[18]对大鼠感觉运动皮层脑损伤模型进行研究，结果发现伤后NAA/肌酸(Cr)明显降低，总胆碱(tCho)升高，出现乳酸峰；在弥漫性脑损伤动物模型中发现细胞内游离Mg2+降低。由于代谢物水平与预后相关，Lac峰和mI峰升高与TBI患者预后明显相关，但其具体的定量关系尚不明了；通过动物实验的研究和验证，可以明确其定量关系，进一步确定代谢物水平与预后的关系。

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2.3 SWI SWI是利用不同组织的磁敏感性不同而成像的技术，它采用长回波时间，并且在3个方向上均施加流动补偿梯度，该技术成像具有分辨率和信噪比高的特点。SWI技术对于小静脉、脑组织内铁质沉积的改变及血液代谢物均十分敏感，目前主要应用在颅脑外伤、脑血管病、脑肿瘤、神经变性等中枢神经系统病变的研究中[19]。

SWI对于能引起弥漫性轴索损伤(DAI)的动物模型是很好的检测方法。应用SWI可以早期发现颅内的小灶性出血。研究认为，DAI引起的灶状出血通常很难通过常规影像方法检测到，仅有约20%的病灶可以在MRI上诊断为出血病灶。但随着SWI技术应用于脑外伤，人们发现DAI病灶中多数为出血性病灶。这很可能与SWI提高了对出血灶的检测能力有关[20]。通过应用SWI技术，研究人员在动物模型中可以早期发现颅内出血灶，通过对出血灶信号变化的观察及研究，可以确定颅脑损伤出血病变的变化时间趋势，早期给予可靠的治疗对策。Sharp等[21]研究发现，SWI对出血性轴索损伤病灶数目和出血量的显示分别是常规T2加权和2D-GRE序列的6倍和2倍。Park等[22]研究外伤性脑损伤大鼠模型的SWI相位信息，结果显示SWI可以安全无创地监测外伤性脑损伤的脑血流量及氧饱和度，同时可以显示深部脑血管的结构。由于SWI技术较为敏感，颅内很多非特异性病灶都会对其产生干扰，如何鉴别这些病灶是目前研究的热点之一。

总之，TBI是一个复杂的、动态的病理生理过程，根据TBI的不同病理生理过程制备的动物模型也有很多种，各具优劣势。fMRI技术对于我们更加深入的理解和研究TBI动物模型提供了很好的帮助，随着研究的深入，这些研究成果终将应用于临床，为临床医生更好地了解TBI的病理生理机制，更准确地制定治疗方案和评估预后提供帮助。

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天津市应用基础与前沿技术研究计划项目(13JCYBJC23800)。

10.3969/j.issn.1002-266X.2015.12.042

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1002-266X(2015)12-0100-03

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