异氟烷联合右美托咪定在青春期大鼠静息态功能磁共振成像中的应用与时间依赖性效应研究

《Brain Research Bulletin》：Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging in the Adolescent Rats under the Combination of Isoflurane and Dexmedetomidine

本研究针对青春期大鼠rs-fMRI（静息态功能磁共振成像）研究中缺乏优化麻醉方案的痛点，创新性地验证了异氟烷与右美托咪定复合麻醉的可行性。通过监测生理参数及分析脑功能连接，发现该方案下典型静息态网络（如DMN、感觉网络）可被稳定识别，且90分钟时功能连接强度及网络特异性显著优于60分钟，提示麻醉方案存在时间依赖性效应，为发育脑研究提供了重要方法学参考。

　　

在神经科学研究领域，静息态功能磁共振成像（rs-fMRI）如同一扇观察大脑内部动态连接的窗户，它能够揭示大脑在无特定任务状态下不同脑区之间的功能协调性。这种技术对于理解阿尔茨海默病、自闭症、精神分裂症等神经系统疾病的机制至关重要。然而，在动物实验中，一个无法回避的挑战是如何让动物在扫描过程中保持绝对静止，以避免运动伪影对图像质量的毁灭性影响。因此，麻醉成为了获取高质量rs-fMRI数据的必要手段。但麻醉药物本身就像一把双刃剑，它既能抑制运动，也可能改变大脑自身的神经活动和血流动力学，从而“扭曲”了我们试图观察的真实脑功能连接图景。

这一问题在发育神经生物学研究中尤为突出。青春期是大脑发育的关键时期，伴随着神经元的分化、突触发生和髓鞘形成等复杂的可塑性过程。此时大脑的功能连接模式正在经历剧烈重组，任何细微的干扰都可能影响我们对发育轨迹的准确解读。更令人担忧的是，常用的麻醉药如异氟烷和丙泊酚，作为GABA_A受体激动剂，已有证据表明它们可能对发育中的大脑产生神经毒性作用，甚至引发细胞凋亡。因此，为青春期动物模型寻找一种既能有效制动、又能最大程度保留真实脑功能、且相对安全的麻醉方案，成为了该领域一个亟待解决的方法学瓶颈。

在成年大鼠的研究中，研究者们已经摸索出一种相对成熟的方案：将吸入性麻醉药异氟烷与α₂肾上腺素能受体激动剂右美托咪定联合使用。异氟烷具有血管舒张作用，而右美托咪定则能收缩血管，两者联用被认为可以相互抵消对脑血流的影响，从而更真实地反映背后的神经活动。这种方案下获得的静息态网络（如默认模式网络DMN、感觉网络、运动网络）与清醒动物观察到的模式相似度较高。然而，这套在“成年大鼠”身上总结出的经验，是否同样适用于代谢更快、生理状态迥异的“青春期大鼠”？此前针对青春期或幼年大鼠的rs-fMRI研究，大多仍单独使用异氟烷或丙泊酚，关于异氟烷-右美托咪定复合麻醉在此年龄段的有效性和安全性评估几乎是一片空白。

正是为了填补这一空白，发表在《Brain Research Bulletin》上的这项研究应运而生。研究团队旨在验证这套从成年大鼠借鉴而来的复合麻醉方案在青春期大鼠中的可行性，并深入探究麻醉诱导后不同时间点对大脑功能连接的影响。他们提出一个核心问题：在青春期大鼠中，异氟烷联合右美托咪定麻醉下，大脑功能连接是否会随着时间推移而发生变化？这种时间依赖性效应能否为确定最佳的rs-fMRI数据采集时间窗提供依据？

为了回答这些问题，研究人员设计了一套严谨的实验流程。他们使用了26只出生后40天（P40）的青春期斯普拉格-达利（Sprague-Dawley）大鼠。麻醉方案的具体操作如下：首先用5%的异氟烷进行诱导，随后在MRI设备准备期间（少于5分钟）通过鼻罩维持1.5%-2%的异氟烷。在右美托咪定负荷剂量（0.015 mg/kg）注射15分钟后，开始持续肌肉输注右美托咪定（0.03 mg/kg/h），此时异氟烷浓度降至1%。负荷剂量注射30分钟后，异氟烷进一步降低至0.25%-0.5%，并根据生理稳定性随时微调。在整个实验过程中，研究人员持续监测了大鼠的心率、呼吸频率和直肠温度，直至负荷剂量注射后90分钟。

在所有的26只动物均接受上述麻醉方案的基础上，研究人员随机选取了10只大鼠进行rs-fMRI数据采集。扫描在一台7T的Bruker动物专用MRI系统上完成。他们首先获取高分辨率的解剖图像作为定位参考，然后在负荷剂量注射后的60分钟和90分钟这两个时间点，分别采集了持续5分钟的静息态功能图像。

获取图像后，研究团队进行了精细的数据处理和分析。步骤包括：格式转换、头动校正和层间时间校正等预处理；随后进行空间平滑；手动去除颅骨信号并将每个个体的大脑图像配准到标准的大鼠脑图谱（Paxinos and Watson atlas）上。最关键的分析步骤是采用组水平独立成分分析（Group ICA, gICA）来分解出大脑中存在的不同功能网络成分。他们从中识别出了10个感兴趣脑区，分属于三个主要网络：默认模式网络（DMN，包括扣带回皮层Cg、眶额皮层、压后皮层RS）、感觉网络（包括初级体感皮层的上唇区S1ULp、桶状区S1BF、后肢区S1HL，以及听觉皮层Au、视觉皮层）和运动网络（包括尾壳核CPu和运动皮层）。为了量化每个个体在这些网络上的功能连接强度，他们进一步采用了双回归分析得到个体水平的ICA图，并计算了Z分数（由皮尔逊相关系数经过Fisher转换而来）来表征连接强度。最后，他们构建了脑区间的功能连接矩阵，并采用适当的统计方法（如重复测量方差分析、配对t检验，并进行了错误发现率FDR校正）来比较60分钟和90分钟两个时间点在生理参数和功能连接上的差异。

3.1. 青春期大鼠复合麻醉下的生理状态

研究结果显示，麻醉药物对青春期大鼠的生理指标产生了显著影响。心率在负荷注射后5分钟即显著下降，并在15分钟时达到最低值（317.6 ± 19.8 bpm），此后一直维持在较低水平，直至90分钟。与心率不同，呼吸频率的变化呈现出明显的时间依赖性恢复。它在注射后10分钟降至最低（49.3 ± 5.8 bpm），但在35分钟时就已经恢复至基线水平。更重要的是，在90分钟时的呼吸频率（75.0 ± 7.3 bpm）显著高于60分钟时，表明随着时间的推移，右美托咪定对呼吸的抑制作用在减弱，动物生理状态趋于稳定。体温在注射后5分钟降至最低（36.4 ± 0.6 °C），但在30分钟后与90分钟时相比已无显著差异。这些生理数据表明，青春期大鼠在复合麻醉下恢复较快，特别是在呼吸功能方面，这为确定数据采集时间点提供了重要参考。

3.2. 麻醉方案下60分钟和90分钟的代表性静息态网络图

尽管在60分钟和90分钟两个时间点，研究人员都成功识别出了DMN、感觉网络和运动网络这三个典型的静息态网络，但网络的“完整性”存在差异。在60分钟时，感觉网络中的S1HL、运动网络中的CPu和运动皮层，仅在大脑的一侧显示出明显的活动。而到了90分钟，这些区域的活动呈现出更清晰的双侧对称模式。这表明，在麻醉后期，大脑的功能网络活动更加充分和均衡。

3.3. 麻醉方案下60分钟和90分钟的脑区内功能连接

对每个脑区内部功能连接强度的定量分析进一步证实了时间效应。在感觉网络中，S1ULp、S1BF、S1HL和Au在90分钟时的连接强度均显著高于60分钟。在运动网络中，CPu在90分钟时也显示出更强的连接。在DMN中，压后皮层（RS）在90分钟时的连接更强。唯一例外的是视觉皮层，其在60分钟时的连接强度反而高于90分钟。这些数据总体上说明，在麻醉后的90分钟，大多数脑区内部的功能整合程度更高。

3.4. 60分钟和90分钟之间脑区间功能连接的差异

最能体现网络特异性变化的是脑区之间的功能连接分析。研究人员发现，在90分钟时，感觉网络内部左右半球对称脑区之间的连接（即同伦连接）显著增强，例如左右S1ULp之间、左右S1BF之间以及左右视觉皮层之间。与此同时，不同网络之间的连接（如DMN与感觉网络之间、感觉网络与运动网络之间）则普遍减弱或保持不变。这种“网络内连接增强，网络间连接减弱”的模式，提示在90分钟时，大脑的功能连接模式更加“各司其职”，网络特异性更强，这通常被认为是更接近清醒状态下的大脑活动特征。

综合以上结果，本研究得出了明确的结论：异氟烷联合右美托咪定的复合麻醉方案适用于青春期大鼠的rs-fMRI研究，能够成功识别出与成年大鼠相似的主要静息态网络。然而，该麻醉方案对大脑功能连接的影响具有显著的时间依赖性。负荷剂量注射后90分钟，相较于60分钟，大鼠的生理状态更稳定（尤其呼吸频率），大脑功能连接表现出更强的脑区内协同性、更完整的双侧活动以及更高的网络间特异性。这表明90分钟可能是该麻醉方案下进行rs-fMRI数据采集的更优时间点。

在讨论中，作者强调了本研究的重要意义。首先，它为解决青春期动物模型rs-fMRI研究的麻醉难题提供了一个经过验证的、相对可靠的方案，避免了单独使用GABA_A激动剂可能带来的神经毒性风险，有利于进行发育脑的纵向研究。其次，研究结果凸显了在动物rs-fMRI实验中精确控制麻醉时间和深度的重要性，功能连接本身可以作为评估麻醉深度的潜在生物标志物。最后，所观察到的功能连接随时间变化的规律，为了解麻醉药物在发育大脑中的作用动力学提供了新的视角。

当然，研究也存在一些局限性，例如未能与清醒状态下的青春期大鼠直接对比，未能识别出在清醒动物中常见的某些皮下核团（如丘脑）网络，以及采用的种子点基于ICA成分而非精细的脑图谱等。这些也为未来的研究指明了方向。

总而言之，这项研究不仅证实了异氟烷-右美托咪定复合麻醉在青春期大鼠rs-fMRI研究中的可行性，更重要的是，它揭示了麻醉方案强烈的“时间依赖性效应”，提醒研究人员在未来的实验设计中，必须将“时间”作为一个关键变量加以考虑，以确保所观察到的大脑功能连接最接近其真实状态。这为发育神经科学领域获得可靠、可重复的脑功能成像数据奠定了坚实的方法学基础。