国内神经影像学技术在小动物实验中的应用进展

马思明，王雪蕊，闫超群，姬彩硕，刘存志

1.首都医科大学附属北京中医医院，北京 100010；2.北京中医药大学东方医院，北京 100078 *通讯作者 刘存志lcz623780@126.com

在中枢神经系统疾病的研究过程中，神经影像学技术可以无创地在动物活体上反映时间及空间维度的信息[1]，是观察生理及病理状态下脑结构的重要方法。然而，单一的脑结构成像已经不能满足临床诊断和医学研究的要求，促使神经影像学技术从单纯的脑形态学研究逐渐转换到形态与功能相结合的系统研究[2]，必要时需构建相应的分子探针，标记某一特定生物分子（如蛋白质、DNA、RNA），使其能够在活体和（或）离体地反映靶生物分子的量和（或）功能[3]。目前，神经影像学技术在关注脑解剖结构的传统神经影像学技术基础上，向以下2个方向延伸：①关注脑功能的功能神经影像学技术，如血氧水平依赖的功能性磁共振成像（blood oxygen level dependent-functional magnetic resonance imaging，BOLD-fMRI）等；②关注分子水平病理变化和机制的分子神经影像学技术，如正电子发射断层显像（PET）等。

由于相关脑疾病模型的构建无法在人体实现，必然要借助实验动物的载体，探索生理、病理状态下内在的脑功能机制[4]。在诸多实验动物种类中，啮齿类小动物最常用于动物影像学研究[5]，但此类小动物的呼吸、心率、血液循环频率、组织器官体积与人类差异较大，因此近年逐渐发展出适合小动物生理特点的神经影像学仪器，如4.7T至14.1T的超高场强MRI扫描仪、小动物计算机断层扫描成像仪。两者不仅符合实验动物学的3R原则，即“减少、替代、优化”，减少不必要的动物使用，更好地保证动物福利[6]，而且能够实现在体无创检查，并具有更高的空间分辨率，可以显示脑组织更加细微的结构[7]。在高分辨率的结构成像基础上，多种临床影像学成像技术也应用于动物实验中，从脑区激活、功能连接、局部代谢等多元化角度出发，为脑内的病理生理改变提供直观的影像学证据。本文选择动物研究中应用较为广泛的几种成像技术，对其成像原理、应用范围、特点优势及应用前景进行综述。

1 BOLD-fMRI

在生物体内，血流动力学变化能够引起氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）与脱氧血红蛋白在组织内含量比率发生变化，干扰质子自旋去相位[8]。由于血流动力学的改变耦合神经电信号的变化[9]，BOLD-fMRI能够灵敏地检测血氧水平改变，测量脑静息态功能的变化。然而有研究认为，物种差异性及麻醉状态等可导致动物的静息态fMRI不能完全模拟人类的静息状态[10]。夏阳等[11]利用9.4T fMRI对比轻度麻醉大鼠静息态与激活态发现，啮齿类动物感觉运动系统在静息态时的脑网络具有小世界属性，这一属性特征与人类一致，证实其大脑信息处理中的功能分离和整合可能与人类存在某些相似性。在国际上，BOLD-fMRI能够辅助记忆、注意力甚至情感等认知脑功能研究，Zoratto等[12]针对注意缺陷多动障碍大鼠的研究表明，通过在横核、背侧纹状体、杏仁核、前额叶皮质及两侧半球设定种子点，能进行基于体素的网络连接计算，结果提示，模型组较正常大鼠皮质回路连接减弱，而边缘回路连接增强，验证了此双重回路机制在控制注意缺陷多动障碍行为学症状中的作用。而在国内动物实验中，BOLD-fMRI的应用主要为疾病模型的感觉神经传入/传出机制研究提供影像学证据。傅小云等[13]重复电刺激大鼠左前爪发现，激活脑区数目较刺激前减少，可能与脊髓低位中枢和大脑高位中枢对伤害性刺激产生的保护性调制有关。此外，BOLD-fMRI也用于某些缺血性脑病的诊断和预后评价。脑在静息状态下存在低频振幅（low frequency BOLD fluctuation，LFBF）的信号波动，LFBF的产生与血管缓慢舒缩活动有关[14]，而脑组织缺血缺氧后LFBF信号随之降低。姚群立等[15]通过观察大脑中动脉闭塞模型（middle cerebral artery occlusion，MCAO）大鼠发现，超急性期缺血区皮质LFBF信号强度低于对侧，缺血区与种子区之间的功能相关性降低，提示应用LFBF信号变化及功能连接分析法可能为局限性脑缺血早期诊断、判断脑神经活动的病理生理变化及评估预后提供了一种新方法。

2 扩散张量成像（diffusion tensor imaging，DTI）

DTI在扩散加权成像（DWI）的基础上发展而成。由于DWI的表观扩散系数（ADC）仅代表水分子的扩散特性，不能评价各向异性，因此Basser等[16]在此基础上提出扩散张量的概念，利用各向异性分数（FA）、平均扩散系数（MD）、轴向扩散系数（AD）、径向扩散系数（RD）等参数评估脑白质纤维的完整性。DTI对白质纤维成像具有独特的优势，成为临床诊断白质病变的“金标准”[17-18]。目前国内动物实验研究中，DTI的应用仍集中在特定脑区白质损伤的研究，即通过划定感兴趣区（ROI），比较正常与疾病状态下ROI的特定参数值变化，为疾病的诊断和确定最佳治疗时间提供参考。李上勋等[19]研究发现，大鼠椎体束损伤后FA、ADC值呈持续性下降，伤后72 h达到最低值。聂婷婷等[20]采用双环己酮草酰双腙诱导小鼠脱髓鞘病变的实验发现，与对照组相比，模型组小鼠大脑皮层、海马及尾状核的FA值明显下降，MD及RD值明显上升。缪培等[21]对局灶性脑缺血不同时期白质结构损伤与运动功能下降程度进行相关性分析，推测出认知功能恢复的有效预测指标。近年，国际上DTI相关研究将特定参数值进行更为多元化的分析和比较。Salo等[22]利用傅里叶分析比较了大鼠癫痫持续状态前后海马及齿状回的微结构改变，发现癫痫大鼠FA值的变化主要由有髓轴突和星形胶质细胞的结构改变引起。在齿状回中，有髓轴突的作用更为突出；而在海马CA3区中，两者均发挥重要作用。诸多实验在不同层次提示DTI对白质损伤的早期诊断具有重要价值。此外，纤维追踪技术是DTI中不可或缺的一部分。通过数据处理后重建的白质纤维，能够更为清晰、具体地显示特定脑区白质结构或脑区纤维连接。刘影等[23]研究发现，大鼠局灶性脑创伤后5 h DTI纤维束成像显示右侧大脑皮质创伤灶周围区纤维束断裂、缺失，与创伤侧病灶周围区ADC值降低、FA值升高的结论一致。国际上已经开展了大量脑区或核团间纤维连接的研究[24-25]，以观察不同脑区间功能连接的结构基础，验证疾病状态下某一神经环路的中枢调控作用。

3 灌注加权成像（perfusion weighted imaging，PWI）

PWI结合外源顺磁性对比剂追踪技术，通过局部组织血流量（regional cerebral blood flow，rCBF）、局部组织微循环血容积（regional cerebral blood volume，rCBV）、平均通过时间等反映脑组织毛细血管水平的血流灌注情况。在动物实验中，PWI可以与DWI相互参照，评估脑组织的血流动力学变化。张岚[26]对血管性痴呆模型大鼠的脑血流研究发现，模型组前额叶皮质与海马区rCBV和rCBF比值较假手术组降低，第45天下降最显著，验证了脑血流下降与血管性痴呆严重程度密切相关的观点。在显示脑肿瘤供血方面，陈淑玲等[27]对晚期脑胶质瘤模型大鼠的研究表明，病变区域脑组织rCBV值较对侧镜像区显著升高，间接反映了病变组织血容量增加。此外，作为PWI的重要分支，动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）MRI能够磁性标记水质子，并对血流灌注进行定量和定性分析。由于无需注射外源性对比剂，降低了实验操作的复杂性，ASL可能在动物实验中具有较大的应用潜力。程晓青等[28]研究发现，在大鼠MCAO模型中，闭塞时间与下降的rCBF、ADC相对值具有相关性，CBF与ADC值也具有良好的相关性，证明三维伪连续动脉自旋标记灌注成像能够评估缺血性脑卒中的组织损伤。Tiwari等[29]研究表明，一种来源于ASL成像的新算法能够定量分析毛细血管同组织间的水交换率，从而有效评价缺血性脑卒中大鼠血-脑屏障的通透性，可能将PWI相关技术从宏观结构扫描拓展至微观结构观察。

4 磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）

SWI能够检测静脉血中脱氧血红蛋白和铁离子等顺磁性物质的局部磁场不均匀性，利用不同组织或体素间的磁敏感差异产生对比增强并成像。近年研究证实，含铁血黄素与脑出血/缺血的发生及演变具有相关性，SWI在显示铁沉淀方面具有独特优势，目前更多地作为临床敏感观察脑内微出血和预测脑内微血管病变的方法[30-31]。田亚楠等[32]研究发现，SWI对检测大鼠脑出血血肿病灶的时间及空间敏感性较T2WI更高，更能真实地反映血肿的演变进程，延续了其对出血性病灶的显像优势。刘红军等[33]观察MCAO模型大鼠超急性期脑缺血灶发现，造模后20 min SWI即可显示脑缺血，缺血核心区SWI信号逐渐升高并接近正常脑组织，则预示不可逆梗死，表明SWI能够协助脑缺血病灶的诊断及判断预后。而国外相关研究也将SWI作为判断脑缺血或出血期的影像工具，Verma等[34]利用SWI结合组织学实验发现，在创伤性脑损伤大鼠造模后急性期SWI较传统MRI能够更灵敏地显示脑结构改变，这一结果为疾病的早期干预及改善预后提供可能性。

5 正电子发射断层显像/计算机断层成像（PET/CT）

PET成像作为核医学及分子影像学领域的重要技术之一，可通过注射18F-FDG、18F-FET、11C-MET等放射性核素标记物显示脑区的代谢情况，在分子水平辅助诊断并指导治疗。由于PET缺乏定位精确性，国内外研究中更多地将其与CT或MRI扫描结合，从而进行定位、定性、定量等多维度观察，协助研究疾病的病理机制。王凌雁等[35]发现，大鼠动静脉畸形的慢性低灌注模型中，脑组织对18F-FDG的摄取表现为最大标准化摄取值先显著上升后下降，随后小幅度上升，从细胞功能上证实该模型引起的低灌注状态影响脑组织对葡萄糖的摄取。朱燕等[36]观察到在大鼠脑出血模型中，神经功能障碍的改善与出血灶体积缩小和糖代谢水平提高具有相关性。而在肿瘤学研究中，PET/CT也延续了其在诊断分级、评估疗效中的优势。通过评估大鼠C6胶质瘤放疗早期疗效，张雨等[37]发现肿瘤最大标准化摄取值与脊柱旁肌肉最大标准化摄取值的比值能够反映放疗前后肿瘤体积的变化，且与肿瘤细胞增殖程度和微血管密度呈正相关，表明PET/CT能够提供评价放疗效果的指标。

综上所述，现有几种应用较为广泛的神经影像学技术能够基于不同体素对脑的结构、功能、代谢等进行多靶点成像（表1），为中枢神经系统的可视化研究提供了多样化的手段。临床神经影像学技术的进步与完善带动了基础研究中小动物神经影像学技术的发展。然而在参数标准化方面，由于影像设备品牌及型号不同，不同文献在某一项技术的具体参数设置上差异较大，使其他研究者缺少可以参考的标准值；在技术融合方面，部分研究已经将数种影像学技术结合应用，如DWI与DTI、PWI结合，但与多模态神经影像学要求的结构、功能、代谢等方面的深度融合仍有较大差距；在应用范围方面，尽管小动物神经影像学技术在成像方法和应用靶点上均具有各自的优势，但在国内应用广度较窄，更多地集中于脑缺血/出血性疾病及脑肿瘤的研究，应用深度亦较浅，往往仅局限于制备动物模型或疾病诊断范围内。由此可见，国内小动物神经影像学技术的应用仍处于发展阶段。在今后的小动物实验中，应依据疾病种类及观察指标选择相应的影像学技术，并适当拓展多角度的研究方案，使神经影像学技术得到更加精准、深入、合理的应用。

表1 小动物神经影像学成像技术的应用特点