1、结论芬太尼可促进机械性疼痛刺激时扣带回和岛叶的活动，提示这两个脑区可能是芬太尼发挥镇痛作用的靶体；其中不同剂量的芬太尼作用最一致的脑区为扣带回，且随着剂量的增加，扣带回激活增加，提示扣带回较岛叶更有可能参与芬太尼镇痛作用的中枢机制。关键词芬太尼；脑，功能性磁共振成像；血氧水平依赖性；镇痛；疼痛，机械性Part 1Brain Activity Changes Associated with Fentanyl Analgesia as Revealed by fMRI4AbstractObjectiveTo investigate the brain regions related to anal
2、gesic effect of fentanyl by functional magnetic resonance imaging at 3.0 T.MethodsTwenty healthy male volunteers were randomly divided into 2 groups: group F1 （fentanyl=1g/kg，n=10） and group F2（fentanyl=1.5g/kg，n=10）. Mechanical stimuli were applied to the center of the left foot by 300g von Frey fi
3、laments. fMRI examinations were performed as structural imaging plus functional imaging: functional imaging=stimulus sequence P1+fentanyl sequence+stimulus sequence P2; stimulus sequence （4min20s）=（20s on20s off）6 times，this sequence was repeated after fentanyl sequence; fentanyl sequence （12min）= b
4、aseline scan 4min + bolus fentanyl 1g/kg or 1.5g/kg + balance scan 8min. The monitoring data were collected during the scanning. fMRI data were processed by SPM2 and Matlab 6.5 software packages.Results1. In respond to 300g vFFs with 1g/kg fentanyl: Activation areas of （P2P1） were: ipsilateral （left
5、） cingulate gyrus, precuneus and bilateral temporal lobe;Activation areas of （P1P2） were null;2. In respond to 300 g vFFs with 1.5g/kg fentanyl: bilateral cingulate gyrus, contralateral （right） insula and SI;3. Active brain regions of （F2F1） after the bolus of fentanyl under vFFs stimulation were ob
6、served in ipsilateral cingulate gyrus and precuneus;Active brain regions of （F1F2） after the bolus of fentanyl under vFFs stimulation were null. ConclusionIt is assumed that the activation of cingulate gyrus attribute to the analgesic effect of fentanyl is dose-dependent.Key wordsFentanyl; brain, fu
7、nctional magnetic resonance imaging; BOLD; analgesia; pain, mechanical4镇痛是临床麻醉的一个重要组成部分，但镇痛确切的中枢机制目前尚未完全研究清楚。脑功能成像技术特别是功能磁共振成像（fMRI）技术的发展实现了对痛觉相关脑区的精确定位。阿片类药物在治疗急慢性疼痛中应用最广。迄今为止，临床常用镇痛药物对脑功能活动影响的fMRI成像报道很少，且多局限于慢性疼痛1及阿片类药物成瘾方面的研究2。本研究拟在3.0 T fMRI下，观察不同剂量阿片类药物芬太尼对von Frey filaments（vFFs）机械性疼痛刺激作用脑区的影响
8、，探讨可能与芬太尼镇痛作用相关的中枢靶位。4资 料 与 方 法4一、研究对象及分组本研究经北京协和医院伦理委员会审查和批准，并遵守世界医学会赫尔辛基宣言及国际疼痛伦理委员会用于人类疼痛研究指南。于北京协和医院临床药理中心受试者库中选取健康受试者20名。受试者均签署知情同意书。纳入标准如下：1男性，年龄2040岁，18 kg/m2 体重指数（BMI）25 kg/m2；2右利手；3初中以上文化程度；4既往无任何其他严重疾病史，无手术麻醉史，无精神及神经系统疾病史，无疼痛病史；5无精神及神经系统用药史，无使用影响中枢神经系统和实验结果的用药史；无滥用药物、酒精史。排除及中止试验标准：1阿片类药物过敏
9、史；2幽闭恐怖症者；3试验期间出现呛咳、头动，不能与研究人员合作者；4试验期间有明显呼吸抑制，经鼻导管吸氧，SpO292者；5经磁共振解剖扫描发现脑部有异常者。随机分为2组，每组10名：F1组（单次静脉注射芬太尼1g/kg）、F2组（单次静脉注射芬太尼1.5g/kg）。4二、试验方法输注药物前禁食、水8 h。停止药物输注后4 h方可重新进食水。1开放受试者左肘前静脉。受试者平卧于功能磁共振扫描床上安静休息30min，不思考问题，戴眼罩、耳塞；以海绵垫塞紧头部两侧并以胶布固定头部，以防头部运动造成脑皮层伪激活。鼻导管吸氧（3 L/min）。磁共振系统提供的监护仪（multigas monitor
10、 9500，Medrad公司，美国）监测血压、脉率和SpO2。避免超过安全范围，安全终末点：RR8次/min 至少1min，SpO292%，MAP60mm Hg，HR50bpm至少1min。2通过300g vFFs行机械性疼痛刺激。选择受试者左足心直径约2cm的圆形区域为刺激区，在此区域内的不同部位来回给予刺激。刺激由同一实验者完成。3实验采用组块设计方法（block design），扫描流程包括解剖扫描和功能扫描。功能扫描流程为：机械性刺激扫描P1（4min10s）给药扫描（12min）再次刺激扫描P2（4min10s）。整个扫描流程如图1。P1、P2为300g vFFs机械性刺激扫描，历时
11、4min10s=10s +（20s on+ 20s off）6次。其中初始的10 s扫描是采集信号数据作为基础值，数据并不列入统计；然后进入6次的组块序列：每个刺激态内单次刺激（on）持续20 s，每个静息态（off）持续20 s，反复循环6次。给药扫描共12min 4min空白平衡扫描 8min给药后扫描4三、fMRI数据采集所有磁共振检查在3T磁共振扫描仪上完成（GE Signa VHi EXCITE 3.0 T）。正交头线圈。对所有志愿者进行T1W结构成像和fMRI扫描。首先进行轴位T1WI扫描，重复时间（TR）2000ms，回波时间（TE）24ms，反转恢复时间（TI）960ms，层厚
12、/层距5mm/1mm，20层。功能像数据的采集是通过T2*梯度回波平面成像（T2*-weighted gradient -echo planar imaging，GE-EPI）完成的。扫描参数如下：TR2000ms, TE30ms，翻转角（flip angle，FA）90，层厚 / 层距 5mm / 1mm，20层，视野（field of view，FOV）240 240mm2，扫描矩阵6464，轴位扫描。功能成像与轴位T1WI定位完全相同。结构成像还包括3D-FSPGR全脑T1WI，参数如下：TR4.6ms，TE2.3ms，层厚 1.4mm，FOV240240 mm2，矩阵256256。在扫
13、描过程中，采取以下手段以减少磁共振设备噪声对实验结果的影响：严格设计对照组块，使其除目标刺激外其他的状态与任务组块高度一致，通过计算机的“相减”运算排除其他因素的影响；受试者佩戴专用的耳麦，身体及头部用软垫隔音；尽量加大目标刺激的强度，使其在背景噪声中更加突出；受试者在BOLD-fMRI检查前先进行其他扫描以适应机器环境，减少噪声的影响；嘱受试者集中注意力于目标刺激，增加目标刺激动效能。4四、图像分析（数据处理）和统计方法首先利用MRIconvert软件将图像格式转化为.img/hdr图像格式，然后使用SPM2软件（http:/www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）对fMRI数
14、据进行分析。整个数据处理过程可分两个阶段：空间预处理（spatial pre-processing）和统计分析。本实验数据的预处理包括以下几个步骤：头动校正（relign）、标准化（normalize）、与空间平滑（smoothing，FWHM=8mm）。统计分析：个体统计得到每两个contrast的con-文件，包括condition-baseline，以及condition之间的比较；然后进行组分析，包括被试内和被试间分析。数据分析中，设定的统计阈值概率最高为P 0.001（uncorrected），激活体积阈值设定为10个体元，即连续激活体元达到上述数值以上的脑区考虑为有意义激活区。采用
15、Talairach坐标分析脑区解剖位置。一般资料：采用SPSS 13.0统计学软件进行处理和分析。组间比较采用独立样本的t检验，组内比较采用重复测量设计的方差分析。计量资料以均数 标准差（ s）表示，均进行正态性检验和方差齐性检验。P 0.05为差异有统计学意义。4结 果两组年龄、BMI等一般人口学资料差异无统计学意义。实验过程中，两组组间组内给药前后循环、呼吸参数变化均无统计学意义。实验中各项刺激任务均顺利完成，无受试者中途退出实验，数据处理后获得较为理想的脑功能激活图。1 F1组给药前后作用脑区的比较300g vFFs刺激，在单次静脉注射1g/kg芬太尼前后激活的脑区变化详见表1，图2。（
16、P2P1）激活的脑区包括：同侧扣带回、楔前叶和双侧颞叶（图2-1 L-扣带回-BA31）；2 F2组给药前后作用脑区的比较单次注射1.5g/kg芬太尼前后300g vFFs刺激激活的脑区见表2，图3。双侧扣带回、对侧岛叶以及中央前回；其中图3-1 R-岛叶-BA13（46，-9，15）；图3-2 R-扣带回-BA24（12，-2，-26）。3 组间比较给予P2刺激，（F2F1）激活的脑区包括：同侧扣带回、楔前叶。给予P2刺激，（F1F2）未见有意义的脑区激活。（见表3，图4）。其中图4-1 L-扣带回-BA31（-2，-41，33）讨 论阿片类药物中枢镇痛机制虽已研究了多年，但所知甚少。脑功能
17、成像技术的迅速发展为疼痛机制的研究提供了更多手段，使揭示镇痛药物的中枢作用位点成为可能。fMRI结合了解剖、影像和功能三要素，其空间分辨率3（1mm）和时间分辨率4（45ms）高，能够在体无创的“看到”人脑动态工作的实况，直接准确显示机械性刺激和药物作用脑区的确切位置和脑功能快速变化的过程，是目前唯一无侵入性、不涉及放射性元素，可精确定位，信息容量大的人脑高级功能研究途径。3.0 T fMRI是目前较热门的研究前沿，是今后fMRI的发展趋势。本研究使用3.0 T高场fMRI，能清晰的识别不同任务激活的脑区。至今尚无芬太尼镇痛作用fMRI方面的研究。本研究选择临床麻醉、疼痛治疗中最常用的阿片受体
18、激动剂芬太尼为研究用药，首次在3.0T fMRI下观察不同剂量芬太尼对vFFs机械性疼痛刺激脑区激活的影响。本研究观察到不同剂量的芬太尼均激活扣带回。2006年PET首次揭示了前扣带回吻侧在阿片镇痛调节中的作用5，认为扣带回是阿片类药物作用的主要靶点6。本研究进一步证实了扣带回在芬太尼镇痛机制中的重要地位。为了更清楚的考察两种剂量芬太尼脑区激活的差异，将两种剂量进行比较分析，比较大脑在不同任务下的活动差异。首先报告给药后，一定刺激下F2比F1显示激活的脑区，然后报告F1较F2显示激活的脑区。组间比较（F2F1）扣带回也有明显激活，提示随着剂量的增加，扣带回BOLD信号表现为增高。PET7和SP
19、ECT8也得出类似结论。已有研究证实扣带回是疼痛最容易激活的脑区，提示芬太尼镇痛作用并不是简单对大脑的全面抑制，也不是通过抑制疼痛作用的脑区而发挥镇痛效应9。BOLD信号的这种变化可能因阿片类药物通过对抑制性神经元的抑制，增加神经元的激活；也可能通过作用于突触前或突触后阿片受体10，导致突触能量需求的增加，与该神经元的功能是抑制性或兴奋性无关11。最近研究支持阿片类药物作用于疼痛刺激能够激活且富含阿片受体的特殊脑区，通过与脑区的阿片受体结合，模拟内阿片肽，激活脑内“抗痛系统”，阻断痛觉传导，产生中枢性镇痛作用9, 12-15。阿片肽的受体主要有三种，已证实在脊髓上水平，阿片类药物的镇痛主要通过
20、激活阿片受体16，其中1受体参与痛觉调制17。研究发现扣带回中存在大量阿片肽受体18-20，可以推测扣带回的激活是芬太尼通过与受体的结合，对神经元活性的直接作用。尸体自显影证实芬太尼不仅激活富含阿片受体的脑区，同时也激活其他一些脑区21。观察到PET信号来源与阿片受体靶点明显的空间失谐，芬太尼激活的脑区与阿片受体在人脑中的分布并不完全一致。我们认为芬太尼可能并非仅单纯激活含阿片受体的神经元，其镇痛机制也不是简单与阿片受体结合的药理效应。解剖和生理研究表明扣带回与疼痛的注意、情感过程及评价有关，芬太尼激活扣带回，可能通过对注意和情绪过程的调节而发挥镇痛作用；扣带后回与感觉刺激评价功能有关，给药后
21、对刺激反应能力的减弱也许参与了芬太尼的镇痛。本研究观察到芬太尼能触发刺激存在时对侧岛叶的激活。岛叶是本研究和以前研究中最常激活的脑区。药物对疼痛活性的调节一般是刺激作用最明显处。PET研究发现阿片受体在岛叶中高密度聚集18，这可能是IC参与阿片类药物镇痛的解剖学基础。但我们同时观察到只有1.5g/kg的芬太尼才能激活岛叶，而扣带回的激活只需1g/kg芬太尼，说明在芬太尼镇痛中，岛叶发挥的作用也许弱于扣带回。岛叶在鉴定环境刺激的情绪成分、产生情绪状态、调节情感刺激的自主反应上有重要的作用22。岛叶的激活解释了芬太尼的情感反应。尤其是前岛叶参与判断刺激强度，对疼痛的期望、逃避、不愉快的编码，内脏痛
22、的感受及疼痛失觉的发展。考虑到岛叶的功能及其与其它多个脑区包括与PAG的联系，内源性和外源性阿片可能直接通过改变岛叶的激活水平而改变疼痛感知，或/和间接通过岛叶影响下行抑制系统（即PAG/RVM）。本研究观察到，给予芬太尼后，疼痛刺激时对侧中央前回运动皮层区（BA4）神经元活性表现为增加。可能因刺激的持续存在，肢体反射运动一直处于被抑制状态，芬太尼能增强这种抑制。当然这需要进一步真正静息状态下的研究（如无外周刺激时）。总之，本研究在3.0 T fMRI下观察到芬太尼可促进机械性疼痛刺激时扣带回和岛叶的活动，提示这两个脑区可能是芬太尼发挥镇痛作用的靶体；且随着芬太尼剂量的增加，扣带回激活增加，提
23、示扣带回较岛叶更有可能参与芬太尼镇痛作用的中枢机制，芬太尼可能通过调节疼痛对扣带回的激活而发挥镇痛作用。参考文献1. Jones, A.K., et al., Sites of action of morphine in the brain. Lancet, 1991. 338（8770）: p. 825.2. London, E.D., et al., Morphine-induced metabolic changes in human brain. Studies with positron emission tomography and fluorine 18fluorodeoxygl
24、ucose. Archives of general psychiatry, 1990. 47（1）: p. 73-81.3. Goodyear, B.G. and R.S. Menon, Brief visual stimulation allows mapping of ocular dominance in visual cortex using fMRI. Human brain mapping, 2001. 14（4）: p. 210-7.4. Kwong, K.K., et al., Dynamic magnetic resonance imaging of human brain
25、 activity during primary sensory stimulation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 1992. 89（12）: p. 5675-9.5. Sprenger, T., et al., Opioidergic activation in the medial pain system after heat pain. Pain, 2006. 122（1-2）: p. 63-7.6. Derbyshire, S.W., Meta-An
26、alysis of Thirty-Four Independent Samples Studied Using PET Reveals a Significantly Attenuated Central Response to Noxious Stimulation in Clinical Pain Patients. 1999. 3（4）: p. 265-280.7. Firestone, L.L., et al., Human brain activity response to fentanyl imaged by positron emission tomography. Anest
27、hesia and analgesia, 1996. 82（6）: p. 1247-51.8. Schlaepfer, T.E., et al., Site of opioid action in the human brain: mu and kappa agonists subjective and cerebral blood flow effects. The American journal of psychiatry, 1998. 155（4）: p. 470-3.9. Schoffelmeer, A.N., et al., Mu-, delta- and kappa-opioid
28、 receptor-mediated inhibition of neurotransmitter release and adenylate cyclase activity in rat brain slices: studies with fentanyl isothiocyanate. European journal of pharmacology, 1988. 154（2）: p. 169-78.10. Gamse, R., P. Holzer, and F. Lembeck, Indirect evidence for presynaptic location of opiate
29、 receptors on chemosensitive primary sensory neurones. Naunyn-Schmiedebergs archives of pharmacology, 1979. 308（3）: p. 281-5.11. Mathiesen, C., K. Caesar, and M. Lauritzen, Temporal coupling between neuronal activity and blood flow in rat cerebellar cortex as indicated by field potential analysis. The Journal of physiology, 2000. 523 Pt 1: p. 235-46.12. Schwartz, W.J., et al., Metabolic mapping of functional activity in the hypothalamo-neurohypophysial system of the rat. Science （New York, N.Y, 1979. 205（4407）: p. 723-5.13. Jackisch, R., et al., Pre
