第四军医大学口腔医学院麻醉科（ 710032 ） 张惠 综述 徐礼鲜 审校

摘 要 无创成像技术，在揭示脑功能活动方面具有无创、实时、很好的时间和空间分辨率，可获取动态脑活动真实的生理信息，已成当今脑功能研究最为迅速的领域之一。本文综述了正电子发射断层扫描技术 (PET) 、功能性磁共振成像技术 (fMRI) 、磁共振波谱技术（ MRS ），或联合运用这些技术在脑功能研究方面所取得的综合资料，以及应用无创脑功能技术研究全麻药对脑功能影响的最新进展，撰写成文供参考。

关键词 　　脑功能　正电子发射断层扫描 功能磁共振成像 磁共振波谱 麻醉

20 世纪 90 年代，被世界各国确立为“脑的十年”。新的无创脑功能成像技术的出现，对更科学的研究大脑功能，进一步揭示大脑奥秘，动态“窥视”活体大脑内部的活动提供了新的研究手段，也会使人类在大脑功能的认识上达到一个新的水平。因此，无创脑功能成像技术在神经科学研究中发挥着越来越重要的作用。本文将对无创脑功能成像技术及其应用，在全麻机理研究中有关进展作一概述。

1 正电子发射计算机断层扫描技术 (positron emission tomography, PET)

PET 是最先被作为揭示大脑功能的研究工具。它采用正电子计算机断层获得的三维图像 , 具有视野大、空间分辨力好和灵敏度高的特点。 PET 主要反应脑内的生化代谢及其生理功能的变化，被人们称为“生化断层”、“生理断层”。ＰＥＴ的问世 , 使人类第一次实现了活体内分子水平的研究 , 开创了医学发展的新纪元。

1.1 PET 的基本原理

实现 PET 显像必须具备两个条件： PET 扫描仪和 PET 显像剂。 把含有核素 11 C 、 13 N 、 15 O 、 18 F 及 82 Rb 的化学物质作为示踪剂 , 注射到体内 , 参与体内循环和生化、代谢反应。同时释放正电子 , 正电子与体内负电子相撞而消失。此时释放出的能量以两个光子形式发出 , 其方向相反。 PET 探测器记录释放出光子的时间、位置、数量和方向 , 计算机将上述信息进行存取、运算 , 把数据转换成代谢图像。 在研究脑功能方面，常用的显像剂主要有三类：一类是测量局部代谢的 18 F -FDG; 一类是测量局部脑血流量 (rCBF) 的 15 O-H 2 O; 另一类是各类受体配基 , 如 18 F - 氟代多巴、 11 C - 无环鸟苷等。

1.2 PET 用于脑功能研究

自从 Phelps 等 [1] 首次用 PET 研究人脑功能以来， PET 已经成为无创研究人脑生理功能和病理状态的重要方法。目前， PET 主要用于以下几个方面脑功能研究。

1.2.1 能量代谢显像

人脑神经和精神活动必须伴随着能量代谢的变化。检测大脑能量代谢常用 18 F -FDG 和 11 C -DG 葡萄糖衍生物。这两种示踪剂与葡萄糖一样 , 能通过血液输送到脑 , 并穿透血脑屏障 (BBB) 进入脑组织 , 在脑组织内被有活力的神经元当作葡萄糖吸收而进入细胞内，但它最终不能被分解而局限于细胞内。大脑内越是活跃的区域，则示踪剂被摄取的越多。通过测定 18F 或 11C 在脑内放射性活度 , 可以了解脑局部葡萄糖代谢状态 [2,3] 。

利用此方法已观察到与视物 、 语言 、识字、记忆、睡眠等 [4,5,6] 特定生理功能区；同时也可用于脑肿瘤的诊断、预后判断和疗效观察等 [7,8] 。因为肿瘤组织在形成肿块前往往先出现代谢异常，高度恶性的肿瘤代谢明显高于低度恶性肿瘤；当治疗有效时， FDG 摄取明显减少，而经过充分治疗肿瘤仍处于高代谢水平者提示预后不良。

1.2.2 血容量 (CBV) 显像

PET 最早进行的项目是利用 15 O 和 11 C 标记 CO 进行血容量的测定。标记的 CO 被吸收入血后进入血液循环，能有效地结合到血红蛋白分子中，约 2 min 后被标记的碳氧 HB 在全身达到平衡，此时，脑部的放射活性和局部红细胞容量成正比，可有效地测量总血容量和局部脑血流量 [9] 。一般状态下，局部脑能量代谢和局部脑血流量相平行，因此，可用局部血流显像研究脑功能。

1.2.3 灌注显像

在灌注显像中，最常用的示踪剂是 15 O- 水，它能以分子形式迅速通过血脑屏障进入大脑，能有效测量脑血流量，能迅速检测血脑屏障的破损情况。 15 O- 水的首次通过只有 85% 被转运到脑组织中，并且进入脑组织的量与脑血流量有关 [10] 。 PET 灌注显像对脑梗塞的早期是否进行介入治疗有重要的指导意义。用 PET 所得到的局部脑血流量 (rCBF) 和局部脑氧代谢率（ rCMRO 2 ）阈值标准是： rCBF 为 12 mL .100 g -1 .min -1 , r CMRO 2 为 65 mL .100 g -1 .min -1 , 如测得梗塞部位脑组织血流及代谢均低于上述标准，脑细胞死亡不可避免，提示介入治疗无效 [11] 。

1.2.4 受体显像 ，

PET 受体显像是目前仅有的可在活体上定量地显示受体的数量和受体的分布的方法，为深入研究脑功能提供了重要手段。常用 11 C 和 18 F 标记的受体配基作示踪剂，研究较多的有多巴胺受体 、阿片受体、 r- 氨基丁酸受体和苯二氮卓受体等。

在中枢神经递质和受体显像中，多巴胺能神经递质及受体显像是大家最熟悉和应用的最多的一种。 18 F -L-Dopa 为 L- 多巴类似物，是多巴胺能神经元的神经递质，它能透过血脑屏障，入脑后分布在纹状体，与多巴胺受体进行特异性结合而发挥生理效应。根据 18 F -L-Dopa 在脑组织摄取和清除速率及其在中枢和外周血中代谢变化的规律，可直接或间接了解中枢神经系统多巴胺受体功能和活动，从而有助于对累及多巴胺系统脑功能活动疾患的诊断 [12] 。

11 C -NMSP 是一种对多巴胺 D 2 受体有很高亲和力的苯基酮趋神经药物，它与多巴胺 D 2 受体及 5- 羟色胺受体均可结合，但前者亲和力是后者的 5 倍。动态 PET 显像发现 [13] ，正常人注射 11 C -NMSP 后，示踪剂可迅速穿越血脑屏障与特异性和非特异性受体结合， 11 C -NMSP 以最快的速度离开小脑非特异性结合部位，而 2h 后尾状核和豆状核的多巴胺 D 2 受体仍有较高的 11 C -NMSP 结合率。通过计算在不同时间尾状核和豆状核与小脑发射性比可评估多巴胺 D 2 受体的结合量。

18 F -L-Dopa 和 11 C -NMSP PET 显像已经发现，精神疾病（精神分裂症 、 抑郁症）患者纹状体 18 F -L-Dopa 摄取明显减少，提示多巴胺含量减少 [14] ；而帕金森病患者尾状核多巴胺 D 2 受体密度增加或虽密度正常但活性明显增加 [15] 。 PET 观察到的这些变化不仅可用于疾病早期诊断，而且对临床正确使用神经精神药物具有指导作用。

PET 作为现代医学影像技术，其影像基本含义是建立在解剖结构基础上的代谢影像和功能影像。 PET 显像实际上是显示脑的功能图像，同时为无损伤测定脑神经受体 、 了解活体神经系统特异通道的生理活动提供了一种独特的方法。

2 功能性磁共振成像（ functional magnetic resonance imaging , fMRI ）

fMRI 是与 PET 相类似的研究局部神经元活性的成像方法。 1990 年 Ogawa [16] 等首先利用血氧水平依赖对比技术，进行脑功能磁共振成像。近年来， fMRI 技术得到迅猛发展，已广泛应用于神经科学各个领域。它具有完全无创伤，不涉及放射性元素，较好的空间和时间分辨力等优点。

2.1 功能性磁共振成像原理

血氧水平依赖（ Blood Oxygenation Level Depandent, BOLD ） -fMRI 是目前最流行的 fMRI 技术。它的成像基础是 [16] ：神经元活动对局部氧耗量和脑血流影响度不同，改变了局部去氧 - 氧合血红蛋白的含量，由于人体血液中的含氧血红蛋白是抗磁性物质，脱氧血红蛋白是顺磁性物质，从而导致局部磁场性质发生变化。当神经元活动增强时，脑功能区皮层的血流量和氧交换增加，但与代谢氧耗量的增加不成比例（因大脑皮层功能活动时主要取厌氧代谢途径，即消耗葡萄糖增加，而耗氧增加并不明显），其结果可导致功能活动区血管结构中氧合血红蛋白增加，脱氧血红蛋白相对减少，该区域磁性发生改变。利用对磁化率敏感的快速高分辨梯度回波磁共振成像可以检测并显示这种变化的空间分布及其动态过程。

2.2 功能性磁共振成像的应用

fMRI 已广泛用于人脑正常生理功能和脑肿瘤的术前评价，对手术计划指定及最大程度减小术后功能损伤也有较大帮助。

FMRI 首先是用于神经生理活动的研究。最突出的是在视觉皮层功能定位方面研究。 Ouyn 等 [17] 最早采用 fMRI 技术进行了视觉皮层的定位研究，他们不仅取得了与传统观点一致的结果，同时发现，与语言等高级功能类似，视觉皮层也存在优势半球（右侧）。除了视觉方面的研究外，利用 fMRI 研究了学习记忆 、 语言和思维的神经解剖机制，如许多研究发现 [18] ，对中文和英文的阅读，脑内存在完全不同的解剖功能定位。

FMRI 的临床应用也是一个研究热点。对神经外科专家来说，最大限度切除肿瘤又保留脑功能皮层，一直是个极大的挑战。 MR 脑功能活动成像对脑肿瘤患者的脑功能评价显得尤为重要。大量的 fMRI 研究结果表明 [19] ，肿瘤对功能区的侵犯可导致功能活动的完全消失，由于占位效应，肿瘤周围的功能活动区常发生变形和移位，而且脑水肿内和肿瘤内的功能区在 fMRI 上也能显示。因此，非创伤性的术前 MR 脑功能活动成像对患者解剖 -- 功能关系的显示有助于神经外科医生制定手术计划，且为术中病灶切除的手术方式及切除范围提供客观依据。

FMRI 结合了功能 、影像和解剖三方面的要素，是一种在活体人脑定位各功能区的有效方法，为人们了解中枢神经系统的作用机制和避免手术损伤重要功能区提供了一条途径。

3 磁共振波谱分析（ Magnetic resonance apectrography, MRS ）

MRS 应用于医学领域始于 1973 年 Moon 和 Richards 对完整红细胞和 1974 年 Hoult 对离体新鲜标本进行 3 P 波谱测定为开端，但对人脑的活体 MRS 检查于十年前才取得成功， MRS 是检测体内化学成分唯一的无创性检查手段。

3.1 磁共振波谱分析原理

MRS 是一种利用核磁共振现象和化学位移作用，测量脑内有关区域中各种元素和化合物分子的波谱，借此了解局部脑神经元的活动信息。其基本原理与 MRI 一致，只不过经典 MRI 和 fMRI 技术是检测水质子共振信号，而 MRS 是检测其他化学物质分子的质子或其他原子核 ( 1 H 、 31 P 、 23 Na 、 13 C 、 19 F ) 的共振信号。其中在医学领域应用最多的是 1 H 和 31 P 。

1 H 的自然丰度和感应性在所有应用核中最高，可用来检测体内许多微量代谢物。正常脑 1 HMRS 主要观察乙酰 - 天门冬氨酸（ Naa ）、 r- 氨基丁酸 (GABA) 、谷氨酸 (Glu) 、乳酸 (Lac) 、肌酸 (Cr) 和胆碱 (Cho) 等产物。其中 Naa 被证实在脑内几乎全部位于神经元内，因此，当 Naa 信号降低时，可以将其作为神经元减少或破坏的标志。

31 P 是最早应用于波谱分析的原子核。生物体中许多生物分子含有 31 P ，而且这些化合物参与细胞的能量代谢和生物膜的有关磷脂代谢。 31 PMRS 可以提供脑内能量代谢和生化改变的信息。

3.2 MRS 用于脑功能的研究

MRS 用于脑功能研究主要有以下几个方面：脑内氧化反应的定量分析及神经元死亡的判定、对神经元破坏范围的描述和评估、细胞膜的改变和脑病的特征性代谢改变。

癫痫是 MRS 目前研究最多的一种疾病。 1 HMRS 能较早发现癫痫所致神经元损害。 Ebisu 等 [20] 用海人酸诱导大鼠持续性癫痫模型， MRI 未发现异常时， 1 HMRS 已发现海马、杏仁核、梨状皮质的 Naa 浓度下降，与组织学检出的神经元损害相关。准确判断致痫区是癫痫外科治疗最关键的一步， 1 HMRS 和 31 PMRS 可通过测定脑内代谢产物和能量代谢变化来进行病灶定位。 Aasly 等 [21] 用 1 HMRS 研究了 17 例不同原因所致的难治性癫痫，发现 1 HMRS 均可在术前较准确定位致痫灶。此外， MRS 在脑缺血的评估、脑外伤、 Alzheimer's 病与 Parkinson's 的诊断、儿童代谢性疾病中均有重要意义。

目前， MRS 是唯一无创性的研究活体器官 、组织代谢、生化变化和化合物定量分析的方法，研究还处于从实验室向临床过渡阶段，若与传统的磁共振影像相结合将为疾病的诊断、治疗和预后评价提供更好的敏感性和特异性。

4 磁共振成像技术与全麻机制研究

磁共振成像技术刚刚开始应用于麻醉领域的研究。主要是应用 PET 这项技术，从脑保护角度就全麻药对脑能量代谢进行有意义探讨。 Alkird 等 [22] 在一系列研究中发现，随异丙酚用量不断增大而达到无意识状态时，整个大脑葡萄糖代谢率从清醒状态的 29 ± 8 mmol .100g -1 .min -1 下降到 13 ± 4 mmol. 100g -1 .min -1 ，麻醉作用越深下降程度越大；对不同的脑区抑制程度是不同的，并发现异丙酚对不同区域的能量代谢抑制作用强弱与大脑 GABA 受体分布密度相关，因而推测异丙酚可能是通过 GABA 受体起作用的。而对异氟醚的研究 [22,23] 中发现，呼吸未异氟醚浓度为 0.5% 时脑组织葡萄糖代谢率下降 45%, 当达到 1.5-2MAC 时下降 50%-70%, 其下降幅度与脑双频指数 (BIS) 变化相一致；也有研究表明异氟醚对能量代谢的抑制与毒覃硷型已酰胆碱受体呈正相关。

5 前景展望

现代成像技术用于脑功能的研究，越来越受到人们的关注，使其成为一个崭新的研究领域。特别是脑血流，糖、酯、核酸和氨基酸代谢及神经递质受体显像，可为全麻醉机理研究提供更有实际价值的脑功能变化的信息。

PET 在全麻机制的研究中也有了起步， Nader 等 [24] 用 PET 技术研究表明，异氟醚和氯胺酮对猴中枢神经系统 D 2 受体能产生明显的影响。国内有学者开展静脉麻醉对脑相关受体活动的成像研究，运用 PET 脑功能成像和高压液项色谱相结合技术，系列探索静脉麻醉作用下人脑相关受体功能和相关递质代谢的动态变化与血药浓度关系，极有可能在全麻药与脑功能研究方向取得有价值的进展。可以相信，经过不懈的努力，应用现代医学成像技术揭示全麻机制已经不再是可望而不可及。

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