全麻狀態下靜脈麻醉藥丙泊酚對大腦功能連結性的影響

王之遙丁曉楠吳勁松黎 元楊 忠車薛華張 軍△梁偉民

（1復旦大學附屬華山醫院麻醉科，2神經外科，3放射科 上海 200040）

全麻狀態下靜脈麻醉藥丙泊酚對大腦功能連結性的影響

王之遙1丁曉楠1吳勁松2黎 元3楊 忠3車薛華1張 軍1△梁偉民1

（1復旦大學附屬華山醫院麻醉科，2神經外科，3放射科 上海 200040）

目的應用靜息態功能磁共振（rest state functional magnetic resonance imaging，rs-f MRI）成像技術觀察深度麻醉下靜脈麻醉藥丙泊酚對大腦功能連結性的影響。方法6位在術中磁共振手術室行經蝶垂體瘤切除術的神經外科患者，采用丙泊酚靶控輸注（效應室濃度4μg/mL）進行麻醉誘導并維持。分別在患者處于清醒、麻醉和麻醉下進行疼痛刺激三種狀態時應用3.0 T場強磁共振儀進行掃描。獲取的影象學資料應用AFNI軟件分析大腦默認網絡，體感運動網絡和疼痛相關網絡的功能連結性，并用SPSS統計軟件進行統計分析。結果種子體素相關分析法結果顯示，與清醒狀態相比，丙泊酚導致在外科麻醉水平大腦默認網絡、軀體運動感覺皮層以及疼痛相關腦區島葉皮層的腦功能連接顯著下降，表現為扣帶回、內側前額葉、島葉等腦區被抑制（P＜0.01）。疼痛刺激后在軀體運動感覺皮層及疼痛相關腦區的功能連接呈現部分恢復，表現為右側舌回、梭狀回、島葉及扣帶回區出現不同程度的激活（P＜0.01）；而默認網絡的功能連接則進一步下降（P＜0.01）。結論在外科麻醉水平，丙泊酚導致大腦各腦區功能連接減弱，提示可能與意識水平降低相關。扣帶回、島葉以及內側前額葉可能是丙泊酚中樞作用靶點。而疼痛刺激雖可恢復部分腦區功能連結性，但重要腦區的功能連結性仍顯著下降。

靜脈麻醉藥； 丙泊酚； 功能連接性； 功能磁共振（f MRI）； 靜息態

盡管科學家們從通道、受體和分子水平對全身麻醉藥的麻醉作用機制進行了大量探索性研究，并在微觀層面取得了一些重要進展，但靜脈麻醉藥如丙泊酚等如何產生及維持麻醉的機制仍然不清楚。目前有假說認為全身麻醉藥誘導的意識喪失可能與其干擾神經突觸功能而使皮層活動的協調性受損有關[1]。這種皮層活動的協調性不僅依賴于腦區之間的解剖結構連結，還依賴腦區之間功能上的連結。打斷或抑制這種功能連接性可能使大腦部分或完全喪失對不同腦區間信息的整合和處理能力，從而誘導機體認知、記憶以及意識等高級腦功能的下降乃至喪失[2]。

近年來由于腦功能顯像技術的不斷發展，在宏觀尺度上研究麻醉藥物對腦功能連結性的作用成為可能。血氧水平依賴（blood oxygen level dependence，BOLD）f MRI技術是目前最為常用的f MRI技術[3]，其可通過測定靜息時某些腦內特定功能網絡的低頻振蕩信號來反映腦血氧水平和皮層血流的波動。功能相關的腦區內BOLD信號存在低頻漲落的同步相關性，表明這些區域存在功能連接性。應用體素相關分析法（voxel-based analysis）計算整個大腦皮層內各體素與種子區域（seed regions）的相關系數，找出與種子區域時程相關的區域，可計算相關腦區的功能連接性。這種功能連接性是指在偶聯的神經系統中信號之間存在統計學上的依賴關系，區別于不同腦結構存在物理上的神經連接（結構連接性）。

以往研究已經發現全身麻醉藥在淺麻醉狀態下可降低的神經網絡的功能連結性，但大多僅涉及單一腦功能網絡（functional network structure）。為進一步驗證全身麻醉藥在神經影像學上的改變，我們應用BOLD f MRI觀察清醒、外科麻醉水平以及疼痛刺激三種不同意識狀態下靜脈麻醉藥丙泊酚對大腦特定功能網絡之間功能連結性的影響，初步探討全身麻醉藥的麻醉作用機制及可能的作用腦區。

資料和方法

病例選擇本研究經復旦大學附屬華山醫院倫理委員會審查和批準，受試者均簽署知情同意書。研究中所有病例均來源于2011年10月至12月華山醫院神經外科診斷為垂體瘤需入院行擇期手術的患者，共6例，年齡為18～65歲，平均體重（65.23±2.03）kg，平均體質指數（BMI）為（21.30±0.21）kg/m2，ASAⅠ～Ⅱ級。排除存在其他顱內疾病，幽閉恐懼癥以及難以溝通合作的患者。

研究方法手術前一天，詳細講解具體研究方案及實驗步驟，使患者了解并取得其密切配合。術前用痛閾測量儀（i90，北京電子儀器廠）測量患者的痛閾值3次，取平均值為該患者的疼痛閾值。

患者需分別進行3次rs-f MRI掃描。手術日進入術中磁共振手術室，開放靜脈通路和建立有創血壓監測，并每5分鐘記錄心率（HR）、平均動脈壓（MAP）、脈搏氧飽和度（SPO2）。囑患者平臥，安靜休息，閉目放松、心無雜念，兩側耳塞以盡可能減少聽覺刺激，固定頭部以防掃描時頭部運動造成皮層偽激活，進行第1次f MRI掃描。

掃描完畢后開始麻醉誘導，誘導前予以輸注膠體液500 m L，擴容。然后以丙泊酚靶控輸注（TCI）4.0 μg/m L，瑞米芬太尼1.0μg/kg和琥珀酰膽堿1 mg/kg進行麻醉誘導和氣管插管。術中進行機械通氣，維持PaCO2在35～40 mm Hg（1 mm Hg=0.133 kPa，下同），并以丙泊酚TCI 4.0μg/mL維持麻醉狀態，平衡液以每小時4 m L/kg的速度持續輸注。當患者麻醉深度穩定后，進行第2次f MRI掃描。

將痛閾刺激電極貼附于患者右側上肢前臂腕處，打開痛閾刺激儀，調節刺激電流大小為患者1.5倍的痛閾值。待電流穩定予以持續疼痛刺激，并進行第3次f MRI掃描。

功能磁共振數據采集采用3.0 T磁共振全身掃描儀（Siemens MAGNETOM Verio 3T，德國）及8通道標準正交鳥籠形頭部線圈進行f MRI掃描。掃描前，先對患者進行軸位高分辨解剖像掃描（三維快速擾相梯度回波序列）。梯度場強為40 m T/m，梯度切換率為150 m T·m-1·ms-1。掃描前自動勻場以獲得最佳靜磁場均勻度。正中矢狀面定位，以前-后聯合線為基準，掃描平面與之平行，共25層覆蓋全腦，對所有患者進行高分辨率T1WI和f MRI掃描。運用AW4.1工作站實時影像處理界面（real time imaging process，RTIP）進行BOLD成像直接顯示。成像過程中以T1WI為解剖背景，功能像實時疊加在解剖像上。最后使用快速擾相梯度回波序列（3D.FSPGR脈沖）行覆蓋全腦的矢狀位無間隔掃描，連續114層，其目的在于為后續的三維重建及空間配準進行準備。其中結構像掃描參數為：1 000 ms/5ms（重復時間，回波時間=TR/TE），反轉恢復時間（TI）760 ms，帶寬（BH）19.23 k Hz。矩陣256×256，翻轉角（flip angle，FA）900，視野（field of view，FOV）192 mm，層厚5 mm，層間距2 mm。25層掃面，包括從頭頂至小腦下緣的全腦范圍。三維結構像掃描參數為：FSPGR序列，矢狀位掃描，30/1.17 ms （TME），FA 35°，空間分辨率1.27 mm×12.7 mm×1.3 mm。

數據處理和統計方法利用MRIconvert軟件對f MRI數據進行圖像格式轉換，然后使用AFNI軟件對f MRI數據進行處理分析。整個過程分為空間預處理（spatial pre-processing）和統計分析。數據預處理包括時間校正（slice timing）、頭動校正（realign）、平滑（smoothing）、空間標準化（spatial normalize）等步驟。經過預處理后，對每個受試者的數據進行編程建模。針對需要選擇研究的默認網絡，軀體感覺運動網絡和疼痛相關腦區網絡，分別選取后扣帶回、中央后回、左右島葉作為種子點，得到清醒狀態、麻醉以及麻醉中予疼痛刺激不同狀態時的分析結果。通過選擇給定的種子區域平均時間序列和其在全腦中的體素計算得出相關系數即功能連接系數，反映兩個腦區信號的關聯性，代表功能連接強度。f MRI數據的分析中，設置的閾限水平為P＜0.01（corrected，cor），只有不小于20個體素的區域才會被當成有效激活，T值代表激活強度。采用Talairach坐標（x，y，z）分析腦區解剖位置。

結 果

一般情況6名入組患者在清醒、麻醉和疼痛刺激3個不同狀態下，心率分別為（79.10±5.03）、（65.22±3.45）、（70.13±3.33）次/分鐘，平均動脈壓分別為（80.10±6.05）、（63.08±2.12）、（65.67±5.20）mm Hg，Sp O2分別為97.65%±1.01%、99.00%±0.11%、99.00%±0.11%。試驗過程中，兩組患者平均動脈壓麻醉后比清醒狀態下明顯下降（P＜0.05）。

影像學結果分別選取3個大腦網絡即默認網絡，軀體感覺網絡和疼痛相關腦區網絡，以清醒-麻醉和麻醉-疼痛刺激的比較來觀察不同意識狀態下靜脈麻醉藥丙泊酚對其功能連接性的影響。

默認網絡 選取默認網絡中后扣帶回（PCC）作為種子點，觀察全腦各腦區與其之間的功能連接性變化（表1、2、圖1、2）。如以默認網絡PCC為種子點，內側前額葉（MPFC）為感興趣區，則可以觀察到麻醉狀態（功能連接系數：0.21±0.07）與清醒狀態（0.45±0.20）相比較，MPFC-PCC之間的功能連接顯著下降（P＜0.05）；疼痛刺激狀態（0.22±0.01）與清醒狀態比較，兩者間的功能連接也顯著下降（P＜0.05）。

表1 丙泊酚組清醒與麻醉狀態相比激活默認網絡相關的腦區Tah 1 Default Mode Network in the awakevs.anesthetic state in propofol groupa

圖1 扣帶回作為種子點時清醒-麻醉比較后的各腦區激活情況Fig 1 Activation of hrain regions in the awakevs.anesthetic state with PCC as a seed region

表2 疼痛刺激與麻醉狀態相比激活默認網絡相關的腦區Tah 2 Default Mode Network in the pain stimulivs.anesthetic statea

圖2 扣帶回作為種子點時疼痛刺激-麻醉比較后的各腦區激活情況Fig 2 Activation of hrain regions in pain stimulivs.anesthetic status with PCC as a seed region

軀體感覺運動網絡 選擇中央后回作為種子區，觀察全腦腦區與其之間的功能連接性變化（表4、5、圖3、4）。如以中央后回為種子點，中央前回為感興趣區，則可以觀察到麻醉狀態（0.36±0.09）與清醒狀態（0.53±0.17）相比較，中央前回和中央后回之間的功能連接顯著下降（P＜0.05）；疼痛刺激狀態（0.35±0.16）與清醒狀態比較，兩者間功能連接也顯著下降（P＜0.05）。

表3 清醒與麻醉狀態相比激活與軀體感覺運動相關的腦區Tah 3 Activation of somatosensory motor region in the awakevs.anesthetic statea

圖3 中央后回作為種子點清醒-麻醉比較后的各腦區激活情況Fig 3 Activation of hrain regions in the awakevs.anesthetic state with posterior central gyrus as a seed region

表4 疼痛刺激與麻醉狀態相比激活與軀體感覺相關的腦區Tah 4 Activation of somatosensory motor region in the pain stimulivs.anesthetic statea

圖4 中央后回為種子點時疼痛刺激-麻醉比較后的各腦區激活情況Fig 4 Activation of hrain regions in the pain stimulivs.anesthetic state with posterior central gyrus as a seed region

疼痛相關腦區 分別選取左右側島葉為種子區，觀察全腦腦區的功能連接變化。以右側島葉為種子區（表5、圖5）。結果發現所有激活的腦區中，左側半球的腦區數目多于右側半球腦區數，且均為正激活狀態；以左側島葉為種子區的結果表明右側半球的激活腦區數目多于左側半球腦區數。這些結果表明丙泊酚麻醉后大腦左右半球的功能連接減少。如選取左右島葉（Insula）為種子區，前扣帶回（ACC）為感興趣區，則可觀察到與麻醉狀態相比，疼痛刺激狀態下左側島葉與前扣帶回之間的功能連接下降（P＜0.05），右側島葉與前扣帶回之間的功能連接顯著下降（P＜0.01）。

表5 丙泊酚組清醒與麻醉狀態相比激活與疼痛相關的腦區Tah 5 Activation of pain-related region in the wakevs.anesthetic state in propofol groupa

圖5 右側島葉作為種子點時清醒-麻醉比較后的各腦區激活情況Fig 5 Activation of hrain regions in the awakevs.anesthetic state with right insular lohe as a seed region

討 論

靜息態功能磁共振（rs-f MRI）因具有較好的空間和時間分辨率在分析大腦功能連接性方面具有優勢，可以發現由刺激引起的腦激活狀態，甚至在患者沒有反應輸出時亦可辨別，如可用來反映那些處在植物狀態以及微意識狀態患者的“意識”[4-5]。正因為如此，可以應用rs-f MRI來研究全身麻醉狀態下的腦區活動。本研究使用3.0 T高場強f MRI，不僅可得到較高的BOLD靈敏度，提高活動區的顯示率，而且可觀察到一些被激活后血流變化較小的皮層中樞信號。雖然以往的研究提示臨床上最常用的靜脈麻醉藥丙泊酚以劑量依賴的方式作用于大腦，即隨著劑量的增加，更多的大腦內在功能連接性受到不同程度的影響[6-7]，但這些研究基本集中在其誘導的鎮靜水平，而更深麻醉水平下其對腦功能連接的影響并未探討過。目前有研究采用術中rsf MRI指導腦功能區的定位[8]，但麻醉可能對此產生影響，因此本實驗旨在利用術中磁共振探討丙泊酚在外科麻醉水平（效應點濃度達4μg/m L）對大腦功能連接性的影響，同時為f MRI進行全麻下術中腦功能區定位提供依據。

最近的研究發現腦損傷患者的大腦功能連接性下降程度與其意識喪失程度成正相關[9-10]，因此應用rs-f MRI研究麻醉藥誘導意識喪失的機制已引起很大的興趣和關注。White等[11]的研究最先證實麻醉藥物誘導的無意識狀態下丘腦和皮層以及皮層和皮層區域的有效功能連接性發生了改變。國內張惠等[12]研究丙泊酚對7名健康志愿者腦內不同部位功能變化的影響，結果也發現下丘腦、額葉及顳葉的信號變化與丙泊酚麻醉有顯著的相關性，提示這些部位可能是丙泊酚麻醉作用的敏感靶位。而Boveroux等[13]觀察發現在丙泊酚誘導產生意識喪失的過程中大腦自發產生明顯的波動信號，丙泊酚的麻醉作用使得大腦功能結構發生暫時的破壞，阻止低級感覺皮層與高級額頂皮層的信號連接，從而使機體無法感受到外部刺激，即初級感覺皮層與高級皮層的連接網絡是中斷的。Heinke等[14]通過f MRI研究表明丙泊酚麻醉狀態下大腦的激活程度首先在額葉有所減少，其次是顳葉。因此丙泊酚的作用靶點被認為主要在額葉、顳葉以及丘腦等部位。我們選取3個與意識密切相關的神經網絡進行研究，發現清醒狀態與丙泊酚麻醉狀態比較，默認網絡、體感運動網絡以及疼痛相關網絡的功能連結性均發生明顯下降。由于默認網絡在記憶和意識產生中扮演重要角色，因此其功能連結性的下降提示意識水平的下降[15]。研究結果也表明在深度麻醉下，其他腦區的功能連結性也被打破，如同側腦區的島葉BAl3區（注意功能）、顳中回（視知覺信息處理）；扣帶回（情感、學習和記憶）以及Heschl橫回（聽覺信息處理）正激活，提示其所轄功能顯著降低，推斷可能通過打破這些處理高級功能腦區的信息整合，導致意識消失[16]。分別以左右島葉做種子點，分析疼痛相關的腦區功能連接，結果發現清醒狀態與丙泊酚麻醉狀態相比，不僅同側腦區間功能連接下降，大腦左右半球間功能連接也減少了，這與Boveroux等[13]的結果相似。

雖然與清醒狀態相比，外科麻醉水平時進行疼痛刺激的情況下，主要腦區的功能連結性仍然明顯下降，但疼痛刺激后右側舌回、梭狀回、島葉及扣帶回區出現不同程度的負激活，提示軀體運動感覺皮層及疼痛相關腦區的功能連接部分恢復。有趣的是，丙泊酚對默認網絡功能連接性影響的結果表明在持續疼痛刺激時，默認網絡的功能連接卻進一步下降。這可能是因為默認網絡在靜息狀態下功能連接較強，處于接受刺激狀態；而疼痛刺激可激活默認網絡的重要組成部分ˉˉˉ前扣帶回，因此在麻醉狀態下激活前扣帶回可能會分散開部分能量，反而導致默認網絡中腦區的功能連接下降。

本研究中雖然在麻醉誘導時應用了瑞芬太尼和琥珀膽堿，但考慮到它們的半衰期非常短，因此可以認為麻醉對腦功能連結性的影響主要來源于丙泊酚的作用。而麻醉后患者血壓雖然出現一定程度的下降，不過由于腦血管具有良好的自我調節功能以維持腦血流穩定，故本研究中推定血壓對腦血流影響較小。此外，患者均行經口氣管插管機械通氣，純氧吸入且控制呼吸PETCO2在40 mm Hg左右。故認為可排除PaCO2和PaO2對腦血流的影響。入選的患者雖然存在垂體瘤，但其是顱外腫瘤，因此可推定為“正常”人腦。本研究的不足之處在于研究樣本量較少。而如果將功能磁共振技術與腦電圖和電生理技術配合應用，將能夠就全麻藥物對腦功能影響的作用模式作出較完滿的解釋。

總之，我們的研究表明靜脈麻醉藥丙泊酚不僅可以引起大腦半球各腦區之間的功能連接性下降，而且可減少同側大腦半球內不同腦區之間的功能連接，提示這種功能連結性的下降可能構成了丙泊酚誘導的深度麻醉狀態。雖然術中疼痛刺激可恢復部分腦區功能連結性，但重要腦區的功能連結性仍顯著下降。

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Effects of intravenous anesthetic propofol on hrain functional connectivity under surgical anesthesia level

WANG Zhi-yao1，DING Xiao-nan1，WU Jin-song2，LI Yuan3，YANG Zhong3，CHE Xue-hua1，ZHANG Jun1△，LIANG Wei-min1
（1Department of Anesthesiology，2Department of Neurosurgery，3Department of Radiology，Huashan Hospital，Fudan University，Shanghai200040，China）

intravenous anesthetic； propofol； functional connectivity； functional magnetic resonance imsging（f MRI）； resting status

R 614.2

A

10.3969/j.issn.1672-8467.2014.02.015

2013-06-23；編輯：張秀峰）

△Corresponding author E-mail：snapzhang@aliyun.com

【Ahstract】 OhJectiveTo investigate the effects of intravenous anesthetic propofol under surgical anesthesia level on brain functional connectivity using rest state functional magnetic resonance imaging（rs-f MRI）technique.MethodsSix neurosurgical patients undergoing pituitary tumor resection were enrolled in this study.They were induced to unconscious and maintained general anesthesia with propofol target controlled infusion（effect-site concentration 4μg/m L）.Three f MRI scans with 3.0 T high field MRI scanner were performed under wake，general anesthesia and pain stimulation，respectively.With AFNI software，the obtained neuroimage data were used for analyzing function connectivity of default mode network，sensormotor network and pain-related network.And SPSSsoftware was used for statistic analysis.ResultsThe seed voxel correlation analysis method showed that compared with awake status，propofol significantly suppressed functional connectivity of default mode network，sensorimotor network and pain-related network which are important relevant to consciousness and nociceptive stimulation under deep anesthesia level.The involved brain regions included cingulate，medial prefrontal and insular cortex（P＜0.01）.When pain stimulation applied，right lingual gyrus，fusiform gyrus，insular cortex and cingulate were activated （P＜0.01），indicating the brain functional connectivity in somatic sensormotor cortex，and the network consisted of painrelated brain regions were partially restored.However，functional connectivity of default network further declined（P＜0.01）.ConclusionsPropofol significantly suppressed functional connectivity of several neural networks，suggesting role of functional connectivity disruption between brain regions in propofol-induced loss of consciousness.The cingulate，medial prefrontal and insular cortex may be the effect sites of propofol in the central nervous system.The functional connectivity of important neural networks was still suppressed，although pain stimulation under surgical anesthesia level could partially restore connectivity of several brain regions.