不同麻醉方案以及清醒条件下大鼠大脑连接模式分析

笔墨苍炎

静息态功能磁共振成像作为一种传统的成像技术在许多神经生理学研究上有着重大的潜力。在临床应用中多在麻醉状态下采集影像数据，但是我们并不知道麻醉对数据采集的影响。在此我们在不同的麻醉方案下采集了大鼠的静息态fMRI数据，并将其与清醒状态下采集的数据进行对比，从而有了新的发现。结果表明在不同麻醉方案下，大脑的功能连接模式相对清醒状态均有一定的调制，其中异丙酚麻醉下的大脑连接模式与清醒状态下的连接模式最为接近。α-氯醛糖和异氟醚加美托嘧啶联合麻醉组的FC模式与清醒状态的FC模式有良好的对应关系。异氟醚组和美托嘧啶组的FC模式与清醒状态差异最大。这些结果可以直接用于rsfMRI研究设计，以提高数据质量、可比性和解释。本文发表在Neuroimage杂志。
  前言：

  功能磁共振的发展使得对大脑的非侵入式研究成为可能。在中枢神经疾病以及睡眠或者麻醉等条件下，大脑的功能连接都会有受到调整的情况。重要的是在不同的物种中都有发现类似的功能连接网络结构。因此功能连接网络可在研究正常大脑功能以及复杂神经疾病的病理生理学机制时加以利用，也可用于为诊断和新疗法寻找新的生物学标记。由于动物通常不在测量中施加任何任务诱导，并且可以人为通过药物、手术以及基因编辑等技术诱发得到想要的疾病模型，所以对于神经生物学研究而言，基于动物模型的功能连接的研究是个十分具有吸引力的选择。此外功能连接还可以与如电生理记录、光遗传等一些侵入式研究方法相结合，从而可深入了解相对于正常情况下疾病诱发的功能连接改变的机制。
  为防止实验动物在数据采集时由于环境压力以及运动产生伪影，所以疾病诱导以及药物诱发的功能连接采集大多数都在全身麻醉的状态下进行采集。然而麻醉剂可能会干扰神经元活动、大脑代谢以及神经血管的耦合和功能连接，一些功能网络在麻醉下可以保持活性，而有些功能网络的活动则会受到抑制，从而难以确定疾病或者治疗对功能连接的影响。此外有新的研究结果显示，不同的麻醉剂量以及对剂量的依赖性也会对功能连接产生一定的调节，而目前在临床应用中就有几种不同的麻醉方案，这使得对结果的概括以及meta分析产生了困难。
  为克服麻醉产生的影响，现在已有研究在清醒状态下采集动物的影像数据。但是这种采集方案仍有一定的局限性。为了最大程度地降低运动伪影，实验动物常会提前在模拟的环境中进行训练，而这些训练可能会持续8天左右，从而使得数据的采集变得费时费力。此外即使实验动物适应了采集环境，在采集当中仍会有自发运动和应激反应出现。同时对于需要强阵痛或者肌肉松弛的如急性中风或者癫痫影响的研究，也不适合在清醒的动物中进行。
  由于麻醉与清醒采集各有优缺点，所以在后续的研究中这两种采集方法都会被继续使用。虽然残留的应激反应仍会有影响，但是在清醒状态下采集得到的功能连接模式会比麻醉状态下更能反映正常的生理状态。因为麻醉的使用是不可避免的，所以探究不同麻醉剂相对于清醒状态下对功能连接的影响至关重要。
  尽管近期对静息态fMRI的研究越来越多，但是只有少数研究比较了不同麻醉状态下的功能连接，而比较麻醉状态与清醒状态下功能连接差异的则更为重要。而目前尚无比较不同麻醉程度和清醒状态下功能连接差异的研究，因此我们采集了大鼠在六种麻醉状态下以及清醒状态下的静息态功能磁共振数据，并计算了各种情况下皮层内、皮层下核团以及皮层与皮层下核团的功能连通性特征，此外我们还研究了大鼠默认模式网络中中枢区域的连通性。
  材料与方法：

  动物的提前准备：
  用于实验的动物需要按照统一的饲养条件进行饲养，并保证其体重尽量保持一致。
  麻醉大鼠的处理：

  本文的研究数据来源于前期采集的数据，根据使用的麻醉剂的种类，我们将实验大鼠划分为6组，分别是：α-氯醛糖异氟醚组（α-chloralose (AC, n = 9; 60mg/kg)）、异氟烷组（isoflurane (ISO, n = 8;1.3%)）、美托嘧啶（medetomidine (MED, n = 8; 0.1mg/kg/h,）组、ISO与MED联合组(ISO +MED, n =8; 0.06 mg/kg/h i.v. MED and 0.5–0.6% ISO)、异丙酚（propofol (PRO, n = 8; 7.5 mg/kg bolus and 45 mg/kg/h)）组、聚氨酯组（urethane (URE, n = 21;1.25 g/kg)）。各类麻醉剂的使用设置依据前文进行设定。根据研究结果本文使用的麻醉剂设置均可使得实验大鼠保证良好的半球间功能连接。
  试验期间所有大鼠使用异氟烷混合于氮氧比为7:3的混合气体中进行麻醉，生理检测用动脉采血，药物通过静脉注射方式施加。随后使用插入气管导管进行机械通气，术后伤口用利多卡因进行处理，并切换到预设的麻醉方案。
  老鼠的头部固定在一个通过水循环降温的夹器中固定，并有耳钉和咬杆进一步限制头动，药物层面注射肌肉松弛剂盘库溴铵，气管连接到机械呼吸机。体温维持在37℃左右，另外采用一套生理检测系统来记录包括直肠温度、心电信号、呼出二氧化碳等生理信息，动脉血样本则用于对二氧化碳和氧气含量以及pH值进行检测。
  活体信息测量结束后，使用5%的ISO进行5分钟的灭活处理，并注射高浓度氯化钾溶液。在氯化钾注射引起心脏骤停后在通气状态下重复采集5~10分钟以评估硬件和机械通气引起的噪声对FC的影响，并为复杂网络分析提供适当参考。
  清醒大鼠的处理：

  清醒大鼠采用训练的方式使其习惯采集环境，在前部的麻醉阶段使用与麻醉小鼠一样的方式进行处理，前爪沿两侧固定，后爪用胶带固定，身体在保证呼吸的情况下用泡沫塑料包裹。为其免受扫描噪声的影响还会给其佩戴硅胶耳塞。
  前期准备后大鼠会被固定在定制的支架中送入扫描舱中进行扫描，随后将异氟烷的输入量逐步降为0，经过8到10分钟的时间后开始扫描。清醒大鼠需要逐步增加在扫描舱中的时间让其适应扫描环境。
  磁共振成像:

  图像采集是用7T的布鲁克动物核磁扫描仪进行采集，结构像层内分辨率为512*512，共采集30层图像；功能像层内分辨率64*64，共采集11层，层间厚度1.5毫米，TR为2秒。
  对于麻醉大鼠和清醒大鼠，分别采集300和600到750个时间点，数据采集时长分别为10分钟和20到25分钟。虽然清醒大鼠已经适应了采集环境，但是依然存在轻微的抖动，这可能导致分析中的偏差，为确保数据的可比较性，对清醒大鼠采集了较长的时间，在后续的分析中使用10分钟无运动数据。
  数据的预处理与分析：

  对于数据的预处理首先要将数据由布鲁克的数据格式转换为NIFTI格式，下一步作时间层校正、头动校正，并是用两倍体素大小的高斯平滑核作空间平滑。影像的配准使用spm8作处理。在分析的时间段内未发现麻醉组和清醒组有过于明显的头动。
  功能连接的计算使用基于MATLAB和spm8的脚本完成计算，基于Paxino提出的图谱确定了分析的多个脑区，该图谱初步将大脑划分为12个区域。后进一步划分为92个脑区，以便深入进行基于图论的复杂网络的分析。而基于Lu等人的发现，我们确定了大鼠DMN的中枢区域并对其连接情况继续评估。
  由于在ISO和MED麻醉下，自发的BOLD波动与频率为0.159赫兹的电活动有较好的关联，因此在功能连接计算前需要作器做0.01到0.15Hz的带通滤波处理。此外基于功率谱的分析结果显示在0.15赫兹以后非生理性噪声明显增加。在使用皮尔逊相关计算脑区间连接时发现平均最高连接值仅为0.03，因此主要对正连接进行分析。后面使用去除线性趋势来代替带通滤波器，使用快速傅里叶变换计算BOLD信号的功率谱。后面使用Aedes趋势估计对组水平功率谱数据作平滑处理。
  在作连边的统计前需要用fisher-z转换将连接值转换到Z分数，使用MATLAB以及GraphPad进行统计，组数水平的信息呈现使用均值±标准差的形式进行呈现。
  结果：

  实验中我们对共70只大鼠采集了清醒以及6种麻醉状态下的自发性BOLD信号。后面还在灭活后采集了数据，以评估硬件设备与通风系统对功能连接的影响。
  生理信息比较:

  麻醉组所测量得到的生理参数均在正常范围内，经统计比较表明，组间的体重以及二氧化碳以及氧含量等血气指标无明显差异。而与其他麻醉剂相比，美托嘧啶作用下诱发的心率更低，因此导致组间存在差异。美托嘧啶的这种副作用也是其作用的特征。AC组pH值要略高于ISO和URE组，但是都在正常范围内。
  表 1 静息状态功能磁共振成像大鼠的生理参数。
  

  测量训练前后大鼠的皮质酮含量，发现训练前后无明显差异，说明大鼠已经基本适应扫描环境。由于前后的皮质酮水平无明显差异，所以可提取两个时间点的数据用于统计，以增强统计效力。
  此外对于头动信息来说，清醒组的平均头动均在可接受范围内，相对体素大小在2.8±0.2%。而一般人类头动在体素大小4%到10%之间。而其最大头动约为体素大小的1/3；麻醉大鼠则未见头动。
  功能连接指标以及平均连接信息：

  而组水平功能连接如图1a所示，ROI间的平均连接如图1B所示。只有来自伏隔核和下丘脑的连接显示出持续低的连接。
  
  

  图 1 在清醒、麻醉和死后条件下获得的组级功能连接(FC)矩阵(A)和相应区域特定的平均相关系数(B)与清醒组对比
  
  在清醒、麻醉和死后条件下获得的组级功能连接(FC)矩阵(A)和相应区域特定的平均相关系数(B)与清醒组相比，ISO（异氟烷组）麻醉作用下，其功能连通型受到调节作用较重。所有皮层间连接均显著增强，皮层与皮层下之间的连接有64%，而皮层下连接有33%均有所增强。整个皮层和纹状体的特定区域平均功能连接很高，但在其余区域，尤其是内侧丘脑和下丘脑大幅下降。
  在MED（美托嘧啶）麻醉下，与清醒组相比，FC被全面抑制。如果不考虑伏隔核和下丘脑，89% (40/45)的剩余连接被抑制，包括92%(11/12)的丘脑-皮层连接。特别是在皮层和纹状体区域特异性以及平均功能连接也很低。
  当ISO和MED同时使用(ISO+MED)时，只有33%(5/ 15)的皮层间连接减弱;皮层下区域间连接约53%(8/15)减弱。然而，大量皮层-皮层下连接(50%)被ISO+MED削弱，其中包括75%(9/12)的丘脑-皮层连接。
  PRO（异丙酚）组12个ROI构成的连接矩阵与清醒组比较再经FDR校正后，无具有统计学意义的差异。然而，皮层区域的连接值似乎略高于清醒组(见图1中的92个ROI矩阵)。PRO组观察到的显著较高的方差可能限制了检测能力。而源自伏隔核和内侧丘脑的区域特异性FC受麻醉作用被抑制。
  URE（聚氨酯组）麻醉下的FC模式与清醒组比较接近；只有6%的连接被显著抑制。92个ROI组成的矩阵在视觉上与清醒组相似，但连接略低。在区域特异性的平均FC分析中，URE麻醉使纹状体、丘脑内侧和丘脑腹外侧的连通性减弱。
  在灭活个体数据的FC矩阵中，仅观察到很微弱的连接，这表明硬件诱发的噪音、机械通气相关的运动和数据处理诱发的伪影对我们的发现并无特别的影响。
  默认模式网络节点、皮层连接以及复杂网络分析：
  图2A中展示了默认模式网络前额以及后部区域的功能连接。除脾后质以及海马外，ISO组的DMN区域的连接要显著高于清醒组。这可能说明麻醉作用抑制了以远距离连接为主的前额区域的活动。与清醒大鼠相比，麻醉大鼠DMN后半部分的连接相对更接近也更高，而PRO（异丙酚）组大鼠DMN的连接与清醒组更相似。
  图2B中展示了源自于体感皮层的5个具有代表性的连接区域，除了ISO组和MED组外，所有麻醉组的皮层内连接与清醒组相差不多。然而受到麻醉的影响皮层到丘脑以及皮层到下丘脑的连接被破坏。各组半球间皮层连接的差异与皮层内平均连接的差异密切相关。
  

  图 2默认模式网络(A)、躯体感觉皮层(B)、半球间皮层功能连接(C)和(D)复杂网络参数通过复杂网络分析得到的参数
  Figure 2默认模式网络(A)、躯体感觉皮层(B)、半球间皮层功能连接(C)和(D)复杂网络参数通过复杂网络分析得到的参数如图2所示，ISO组模块化水平显著降低，PRO组也有类似的发展趋势。而ISO和MED联合用药组以及MED组的组平均度值降低，其他则与清醒组相当。AC组、URE组以及ISO与MED联合用药组的平均距离则略有增加。ISO组的平均距离显著增加，MED组则表现出相反的趋势。
  相关图谱的差异：

  图3展示了与清醒组比较之下，相对具有代表性的差异连接分布。在ISO组内，皮层与纹状体连接合并形成了一个统一的网络，而丘脑到皮层的功能连接受到了抑制。与清醒组相比，ISO+MED组、AC组以及URE组内，皮层和纹状体的连通性只有轻微差异，而丘脑到皮层的连通性则存在不同程度的差异。与前文的结果类似的是，MED组的FC被严重抑制了。与清醒组相比，在PRO组内未检测到有显著差异的区域。清醒组在与灭活后的数据比较证实了roi意外的相关性确有生理来源。
  
  

  图 3从清醒大鼠获得的基于种子的相关系数图(第一行)，以及与麻醉动物相比的统计差异(其余行)。
  
  BOLD信号的能量谱分析：

  图4展示了丘脑以及其他主要皮层脑区组水平的能量谱信息。清醒组中，自发信号波动在观察的频率范围内相对稳定，而在麻醉状态下功率谱峰值仅在一个比较窄的范围内，且不同的麻醉方法也有不同。此外，能量谱曲线表明丘脑和皮质之间存在独立(如AC、ISO和MED)或共享(如AC、ISO或MED、PRO和URE)波动。
  在ISO组中，0.05到0.12Hz范围内皮层的能量谱最强，而腹侧丘脑的的活动则被完全抑制了。相较于ISO组，ISO+MED组在0.19Hz等更高的频段上功率更大。并且其主要的高能活动区域主要集中在丘脑上。与ISO+MED组相比，MED组中皮质波动的强度最小，而在0.13 Hz左右的丘脑中观察到明显的峰值。
  在AC组中，低频和高频(约0.18 Hz)下均观测到皮质波动。在丘脑中也观察到了类似的功率谱增加，虽然在皮层中不可见，但丘脑在0.07 Hz左右表达了一个额外的峰值。在PRO组中，自发波动主要集中在两个区域的低频区(0.02±0.04Hz)，而其余频率似乎与灭活组无差异。在URE组中，皮层和丘脑区域的频谱功率在0.10 Hz左右有所增加。
  

  图 4血液氧合水平依赖信号的组级谱功率，来自八个组。
  黑线表示无显著性差异(n.s.)，红线表示与清醒组的差异(p <0.05, t检验，错误发现率修正)。小的绿色箭头表示大脑皮层和丘脑中类似的峰值，而蓝色箭头表示只出现在这两个区域中的一个在小于0.05赫兹的低频范围内，相对于灭活数据，皮层的功率谱有明显增加。事后的数据分析也表明，从0.16赫兹开始，外部信号引起的功率谱有所增强。有可能丘脑区域的信噪比教低，导致在丘脑区域的噪声更为突出。
  讨论：

  基于我们的知识体系，本研究拓展了在麻醉和清醒状态下大鼠大脑连接性的数据。该研究结果也与前人的成果保持一致，也证明了不同的麻醉方式对于大鼠脑内连接有着不同的调制。更为重要的是，基于这批数据，我们能够在使用相同的扫描条件下以清醒大鼠的数据为参考来确定麻醉对连接的特定改变。
  麻醉诱发的外围信息流中断问题：

  丘脑是外部与皮层区域进行信息交互的重要区域，而许多麻醉诱导的意识丧失其相关的潜在通路都涉及到了丘脑。由脑桥、丘脑核下丘脑控制的激发和抑制网络之间的平衡转换被假设在麻醉中是必须的。在清醒状态下，丘脑到皮层的通络允许信息流经过丘脑到达皮层。相对之下，在麻醉时，丘脑到皮层的通路中通常会出现低频猝发模式，从而阻断丘脑到皮层的信息流动以及皮层对信息的处理。更为重要的是，这种皮层到丘脑的突发模式可广泛扩散到双侧皮层区域。
  本研究的结果与上述结果一致。首先，清醒组中测得FC显示皮下区域和皮层脑区有明显的功能连接性；复杂网络分析的结果显示其平均度值高、平均距离短，说明存在多连接，且有效路径多的网络，这与清醒大脑所预期的相符。而且其神经活动在较宽的频率范围内都呈现较高的功率，这也符合清醒被试中的预想假设。
  第二，通过麻醉大鼠与清醒组的统计比较为麻醉对丘脑-皮层活动产生影响的观察提供了证据；所有的麻醉实验组均呈现除对丘脑和下丘脑的抑制。在一些麻醉组中发现皮层自发的bold活动尤其明显，而这可能与丘脑到皮层的突发性的活动有关。同时这种FC的连接模式也有向邻近区域扩散的情况（图1 AC，ISO以及PRO），这也指向低频、特异性较低的丘脑到皮层通路的阻断。而几乎所有的麻醉剂均通过如改变模块数量、减少连接数量或者增长平均路径长度来对脑网络结构作显著的调整。最后所有麻醉组的bold信号均有所抑制；而在每组中观察到的具有相对窄范围内波峰的特征性频率分布，这可能说明麻醉诱发了爆发性活动以及FC的动态降低。
  不同麻醉方案对大脑功能性连接的特征性影响：

  现在已有多项说明麻醉诱发的FC对于麻醉剂类型及其剂量存在依赖。同样的，近来也有多项研究表明清醒状态与麻醉状态之间的功能网络之间存在差异，但是大多只评估了一种麻醉剂作用下的差异，从而很难对多种麻醉剂进行对比。后续将重点对fc相关的发现进行描述。
  α氯醛糖（α-Chloralose (60 mg/kg)，AC）组分析结果：AC麻醉组大鼠虽然保持着与清醒时相似的FC结构，但是FC模式似乎受到了全面的抑制，而皮层内连通性与之前的大鼠研究相似，与清醒组相比，皮层内有被很好的保存下来。前人也有报道过纹状体和皮层之间的连通性，这与我们的研究结果相似。然而，在目前的研究中，来自纹状体的连接强度明显弱于清醒组。
  尽管作者证明了能量谱峰值出现在略低的频率范围内，但是AC组中在约0.18 Hz的频段上皮质能量谱峰值也与先前的研究一致。在本研究中，除丘脑在0.07 Hz处有一个在皮层中不可见的小峰值外，在丘脑和皮层中相似的频率下BOLD信号能量有所增加。因此，能量谱分析可以支持基于ROI的分析比较；丘脑-皮层BOLD波动表明在AC麻醉下丘脑-皮质活动在保持和断开之间切换。
  总之，我们的观察结果表明，AC是rs-fMRI研究的潜在麻醉剂；尽管其显著抑制了连接性，但皮层内连接模式与清醒状态下有许多相似之处，丘脑与皮层见的耦合似乎保留了一部分。
  异氟醚(1.3%)（Isoflurane (1.3%)）。在ISO组中，在整个皮层和纹状体区域观察到高连接。根据连通性矩阵和连接分布图，这些区域具有相似的强BOLD波动特征，表明存在广泛的网络结构。受影响的如低模块化(或描绘的子网数量)和高集群连通性等复杂网络参数，也与这些观察结果一致。由于对大规模同步网络的检测是稳健的，并且其性质对剂量呈现依赖性，且网络结构与清醒数据明显不同，因此可以认为该现象是大鼠ISO麻醉的特定性特征。先前基于脑电图技术测量的工作表明，新皮质的同步化源于ISO诱导的爆发抑制活动。
  与额部皮层区功能连接强度显著增加相反，ISO严重抑制了丘脑到皮层及皮层下核团的大部分连接，这与先前的研究一致。此外，我们的能量谱分析表明丘脑的波动强度可以忽略不计，这进一步表明了ISO诱导的丘脑活动抑制。相反，即使与清醒大鼠相比，皮层波动的频谱能量也较高，表明在ISO麻醉下丘脑到皮层的连接呈现明显断开的状态。
  相对于已发表的数据来说，与大鼠皮层BOLD波动频率相关的信息通常更具异质性。Kalthoff等人报告了低频时的大部分能量谱，而Williams等人报告了除低频外的能量增加。在本研究中，在较宽的频率范围(0.05±0.12Hz)内观察到皮层能量谱的相应峰值，与之前描述的范围部分重叠。因此，低频时的高功率一般比较容易被检测到，而高频时的峰值功率可能不存在，或者说在0.05和0.15 Hz之间变化，这很可能源于不同水平的脉冲抑制效应。
  结合之前的研究，我们的结果表明麻醉剂量的ISO麻醉剂通过诱导皮层和纹状体的同步波动以及皮质下活动陷入沉寂，严重掩盖了大鼠自然发生的功能活动，这两种情况在清醒大鼠中都不常见。然而，这些影响可以通过使用低剂量的ISO来最小化。
  MED组（Medetomidine(0.1毫克/公斤/小时)）。MED组的连接较清醒组低。此前也有类似的连接报告，但其中一些研究报告的值要略高。与这些观察结果一致的是，Kalthoff等人测得较低的皮层到纹状体连通性强度，Williams等人报道了网络间功能连接的减少。然而，在本研究中，MED麻醉下的皮质间连通性是中等的，这对先前半脑间良好连接得网络特异性提供了支持。
  MED组皮质波动的功率谱密度也极低；与灭活个体数据相比，主要在频率低于0.03 Hz处观察到增加，这以一结果与以前的报告一致。此外，有研究表明能量可能在0.10±0.18Hz左右增加，这也与我们的发现相吻合。与皮质相比，在丘脑中观察到了相对清晰的能量谱峰值。在皮质中未观察到类似的峰值，表明MED麻醉导致丘脑和皮质的自发性波动去同步化。
  综合来看，MED麻醉下的BOLD波动似乎被全面抑制；FC模式与清醒组明显不同，仅部分可与其他麻醉组比较。
  异氟醚(0.5-0.6%)联合美美托嘧啶(0.06 mg/ kg/h)（Combination of isoflurane (0.5-0.6%) and medetomidine (0.06 mg/kg/h)）。与单独使用ISO或MED的结果相比，ISO + MED的总FC模式更接近清醒组数据；ISO + MED组与清醒组差异最大的原因是部分抑制了皮层下连接和丘脑到皮层的连接。皮层内连接轻度受损，导致半球间的良好连接和皮层内连接类似于清醒状态。良好的皮层连通性可能是由于ISO的血管舒张效应和MED的血管收缩效应共同作用的结果，但也可能是由于每种麻醉剂的剂量较低，从而减少了混杂效应；然而，确切的相互作用是复杂和难以预测的。
  可能由于ISO+MED联合麻醉这种麻醉方案过于新颖，导致其关于皮层到皮层下或丘脑到皮层连通性的报道很少。我们的研究结果对Lu等人在脾后皮质和海马之间存在中度连接的结论提供了支持。在本研究中，腹外侧丘脑与皮层之间的连接与清醒状态相似，而内侧丘脑或下丘脑与皮层之间的连接在ISO+ MED麻醉下几乎完全减弱。
  在ISO+MED组中，皮层和丘脑能量谱均在0.18 Hz左右出现峰值。尽管在ISO+MED组中出现的波动频率更高，这与在小鼠中报道的类似，但皮质能量的增加与ISO组相当。与ISO组不同的是，在丘脑中也出现了波动强度的增加，这与MED组相似。这些观察结果表明，在ISO+MED组中，ISO和MED麻醉剂对BOLD信号的波动均有影响。
  有趣的是，ISO+MED组的一些结果似乎与一种联合麻醉药有关。例如，ISO组、ISO+MED组和MED组的结果表明，下丘脑连接障碍仅为ISO驱动效应，而MED组抑制海马BOLD波动。因此，除了制定对FC混淆效应较小的方案外，在rsfMRI研究中联合使用麻醉剂也可能为麻醉剂的作用机制提供新的理解。
  本研究的结果促进了ISO+MED麻醉在纵向临床前fMRI研究中的应用。与单独使用ISO或MED的研究设计相比，FC模式具有良好的皮层和部分保留的丘脑-皮层连接，显然类似于清醒状态。
  异丙酚(7.5 mg/kg þ 45 mg/kg/h)（Propofol (7.5 mg/kg þ 45 mg/kg/h)）。一般情况下，PRO组的连接模式与清醒组相似。观察到的显著差异主要是源于皮层下区域的连接。而PRO组的统计偏差显著较高，影响了检测能力。这种偏差可能源于FC复杂而对剂量依赖性的敏感变化，因为在PRO剂量为40和60 mg/kg/h时，FC在皮层中发生的特别的动态变化。
  与清醒组相比，PRO组的连接模式特异性较低。根据相关矩阵，BOLD波动在邻近区域更为普遍，特别是皮层内和皮层到皮层下连接。这些观察结果得到了复杂网络分析的进一步支持，在复杂网络分析中观察到模块化降低的趋势。这种现象的程度明显小于ISO组，但仍可能表明麻醉诱导的皮层活动的整体性调节。在之前的研究中，在PRO剂量为60mg /kg/h时，皮层相关体素的数量也很高，这进一步支持了我们的观察。
  与许多其他麻醉剂相比，在PRO麻醉下，丘脑到皮层的同步始终能检测到。与我们的结果一致的是，Liu等人也检测到了丘脑与扣带皮层和脾后皮层等区域的连接。此外，即使在高剂量的PRO下，也很好的保留了皮层下的活动。与其他麻醉剂类似，PRO能显著抑制BOLD波动的能量谱。在大脑皮层和丘脑中，均存在0.05 Hz的显著功率波动，表明各区域具有相似的波动特性以及潜在的连接基础。
  综上所述，PRO麻醉诱导的FC模式与清醒状态惊人地相似。皮层内连通性较强，但特异性较低，丘脑到皮层的同步性得以维持。如果能够获得最佳麻醉深度窗口和稳定性，异丙酚在临床前rsfMRI研究中是一种非常有前景的麻醉剂。
  聚氨酯(1250毫克/公斤)（Urethane (1250 mg/kg)）。URE组麻醉大鼠的FC与清醒组的FC相似。皮层内和丘脑到皮层的连接良好，ROI矩阵的FC模式可能最接近清醒组。然而，其连接要略低于清醒组，且部分纹状体和丘脑连接受到URE的显著影响；这可能暗示了特定的丘脑到皮层的连接障碍以及聚氨酯的麻醉机制。
  尽管URE常用于电生理和药理学研究，但对URE麻醉大鼠的FC研究很少，缺乏全脑分析。然而，我们的结果得到了类似的连接的支持，这些连接来自皮层到海马、皮层内以及丘脑到皮层的连接。有一些研究调查了在被URE麻醉的小鼠的FC，但是跨物种之间的比较相对困难。然而，Grandjean等人在URE麻醉下检测到相对良好的皮层和丘脑间的连通性，该结果与PRO麻醉效果类似。这些观察结果与我们的分析结果也相对一致。
  URE组的BOLD波动强度被广泛抑制。数据表明，在大脑皮层和丘脑中，波动主要发生在0.03 Hz和0.10 Hz范围内。这些观察显示了明显的麻醉诱导的自发活动抑制，以及丘脑和皮层的同步。
  综上所述，我们的结果表明，FC仅在URE麻醉中有轻度调节；与其他几种麻醉剂相比，皮层内连通性良好且更具体。此外，与其他麻醉剂相比，丘脑皮层内连通性被很好的保存了下来，然而，URE诱导的类睡眠活动可能会导致FC数据的额外变化。
  清醒大鼠功能连接的探索和解释：

  首先假设大脑具有不同的加工层次，可分为自我参照冲动心理活动和内在基线活动的核心特征。由于无意识的大脑缺乏自我参照的冲动心理活动，这表明了清醒的大脑和麻醉的大脑之间的根本区别。也有人认为，由于认知处理、疼痛感知和运动等功能受到抑制，麻醉的大脑更好地代表了基线活动。本研究中基于频谱分析的结果也对这一假设提供了支撑。
  然而，在不同的麻醉方案中，麻醉后大脑的FC并不相似。众所周知，麻醉药对神经活动和神经血管的耦合机制有不利影响，这阻碍了rsfMRI FC数据的解释。虽然目前的工作不能解开这些因素对FC的贡献，但我们的结果揭示了不同麻醉处理净效应的关键差异。
  正如人们所料，麻醉下获得的FC模式均与清醒组不同。事实上，与清醒状态相比，一些麻醉方案产生了明显不同的连接模式。在事先不知情的情况下，使用此类麻醉方案会极大地阻碍检测，甚至掩盖正在研究的神经活动现象。相比之下，在事先知情的情况下，可以尝试避免此类陷阱，甚至可以利用麻醉方案的特征实现特定的观察。例如，在已知麻醉剂会增强BOLD波动的麻醉条件下，可以研究特定神经元途径中的病理生理学变化。
  然而，一些临床前方法对全脑连接更感兴趣。本研究中的大多数麻醉方案保持了良好的皮层间连接。因此，可以推荐至少保留一定程度丘脑皮层间连接的麻醉方案。因为丘脑到皮层间连接在如癫痫等几个假设的疾病机制中起着关键作用，所以它是功能神经影像学中一个主要的课题。
  虽然本研究未涵盖FC的动态变化，但需要注意的是，麻醉和清醒大脑之间的动态特性可能不同。由于清醒的大脑可以自由自发地启动、维持和结束活动，因此动态特征可能会更加多样。然而，麻醉状态下的FC也不稳定，因为已在从秒到分钟到小时等各种不同的时间尺度上检测到连通性变化。在包括长期测量在内的研究设计中，考虑FC的长期变化尤为重要，这很可能是由于麻醉深度的变化所致。然而，成像期间清醒受试者中发生的感知和认知功能的动态改变可诱发更复杂和不可控制的变化，使用轻度麻醉方案可相对容易地抑制这些变化。
  默认模式网络：

  DMN可能是研究最为广泛的大脑大尺度功能网络。在不同物种和不同意识水平下都可以观察到与人类DMN相似的网络结构，表明DMN在哺乳动物大脑基础功能中具有非常重要的作用。据报道，DMN的一个常见特征是其在任务期间呈现失活状态。然而，根据雷切尔的说法，在这些情况中可能更多的是对DMN进行调节而不是关闭DMN。
  在本研究中，我们探究了清醒和麻醉条件下大鼠DMN关键节点之间的连接。我们的结果支持了在不同麻醉方案中至少部分保留DMN效应的观点，但DMN在麻醉诱导后也存在显著的连接调制现象。重要的是，在ISO麻醉下新皮质的广泛同步化在整个DMN区域诱发了异常高的连接。因此，如果在任何类型的麻醉下检测到此类高度相关的网络活动时，都需要谨慎得出与DMN相关的结论。
  与清醒组相比，ISO以外的麻醉组的功能连接似乎较低，尤其是在DMN的额叶前部区域；这些区域与诸如社交行为、情绪控制、动机驱动和感知处理的过程相关联。因此，DMN前额叶区域连通性的下降可能与意识丧失直接相关。在人类中，在镇静会降低后扣带回皮层中的DMN强度，而这也是与意识有关的。
  与DMN的额叶部分相比，麻醉大鼠的DMN后部的连接与清醒组较为相似或甚至更为活跃。观察到后部区域FC明显增加，尤其以海马最为明显。有趣的是，DMN的后部与记忆网络中的回忆功能有关，这些功能在晚上以及睡眠的早期阶段可能非常活跃。由于非快速眼动睡眠和麻醉在神经生理学和大脑活动方面有许多相似之处，我们的观察结果表明在DMN调制方面确实存在相似之处。值得注意的是，在本研究中，与麻醉大鼠相比，清醒组的感知加工和注意过程可能导致DMN状态的更高变异性。然而，这些状态变化对连接的确切影响尚不清楚。
  方法学的一些考虑：

  我们主要的研究发现与前人的发现有着惊人的一致，但是因为一些细节的不同导致我们的结果之间存在一定的差异。首先，不同研究之间的fMRI采集方式不同：本研究中的rs-fMRI测量值是使用自旋回波序列获得的，而大多数先前的研究使用梯度回波序列。与梯度回波相比，自旋回波在高磁场下对于毛细血管具有更高的水平特异性，受磁化率诱发的伪影影响更小，且对生理噪声的敏感性更低。相对的是，梯度回波序列的灵敏度更高，这有利于检测较弱的血流动力学信号。
  第二，不同研究的动物制剂有很大差异：如大鼠劳损、麻醉剂量、给药途径、通气使用或既往麻醉经历等因素的差异都可能导致FC的不同构成。FC测量的时间窗也至关重要，FC在诱导后的半小时至几小时之间会产生不同变化。由于麻醉剂对FC的影响似乎对剂量和时间呈现依赖性，因此也不能低估这些因素的影响。然而，本研究中的发现与先前的发现有惊人的相似之处，表明不同研究背景之间的结果具有较好的可再现性。
  依据先前的研究表明，运动、呼吸频率和心率等生理噪声对大鼠FC的影响很小，原因如下：首先，已经使用麻醉方法使动物无法运动，并且仅使用来自清醒动物的无运动数据。其次，通过通气获得的灭活个体数据显示，呼吸运动并没有对FC产生明显的诱发的影响。第三，数据表明心率和FC之间没有明确的联系。例如，ISO+MED和MED组的心率相似，但FC模式和BOLD功率谱不同。然而，还是不能完全排除如源于心跳的搏动等生理噪声的干扰。
  在实验中手术持续了37±2min，从停止初始ISO麻醉到开始rs-fMRI扫描之间的时间为38±2min。由于在准备和fMRI测量之间留出了足够的时间，因此预计手术期间使用ISO的延迟效应最小。
  结论：

  本研究解释了不同麻醉方案对FC产生的不同的调制，同时也观察到了不同麻醉方案诱发FC与清醒被试的FC的不同。相对于清醒组大鼠，在PRO和MED组被试受麻醉诱发产生的连接指标的差异最小。AC组和ISO+MED组被诱导下的连接模式与健康被试最为接近，ISO和MED组的连接模式则与健康组相差最大。结合先前的与麻醉相关的药理学知识，即可用于rs-fMRI的实验设计和结果解释。但是还需要进一步研究FC对麻醉的时间、剂量等因素是如何依赖的，以便进对动物rs-fMRI的扫描工作作进一步的优化。

来源：https://blog.csdn.net/cc1609130201/article/details/124078922
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