卷尾猴大脑在清醒状态及异氟醚麻醉下的静息状态下的代谢神经网络

《Neuroscience》：Metabolic neural networks of the marmoset brain in awake and isoflurane-anesthetized resting states

　　

杜俊坤（Dongjun Koo）| 鄭爱莘（Ae Shin Cho）| 金智贤（Ji Hyeon Kim）| 李贤孙（Hyun-Sun Lee）| 姜秉喆（Byeong-Cheol Kang）| 李在成（Jae Sung Lee）| 李浩英（Ho-Young Lee）

韩国首尔国立大学生物工程跨学科项目

摘要

普通狨猴是转化神经科学中的关键模型，但神经成像对麻醉的依赖引入了显著的混淆因素。为了为未来的研究提供生理基础，我们使用[¹⁸F]FDG PET技术，在自然清醒状态和异氟醚麻醉状态下对大脑葡萄糖代谢进行了表征。四只成年雄性狨猴在交叉设计中接受了多次PET/CT检查，交替进行清醒和麻醉条件下的示踪剂摄取。将成像数据标准化到狨猴脑图谱后，计算了标准化摄取值（SUV）和SUV比率（SUVR）。然后通过结合非参数排列基的体素级统计映射和网络级相关性分析来评估代谢拓扑结构。我们观察到，麻醉导致代谢拓扑结构发生了根本性的重组，而不是均匀的全局抑制。体素级分析显示，在清醒状态下，听觉皮层、下颞叶和前额叶皮层的代谢显著增加，而麻醉则导致代谢活动向皮下区域重新分布，同时下丘脑和黑质的活动保持不变。此外，网络分析显示，麻醉条件下平均皮层相关性强显著增加（清醒时：r = 0.162；麻醉时：r = 0.209），这反映了由代谢信号方差压缩驱动的矛盾性同步现象。相反，皮下区域的连接强度下降（清醒时：r = 0.291；麻醉时：r = 0.220），表明皮下调节中心的功能耦合出现了紊乱。通过系统地定义这些状态依赖性变化，我们的发现为区分生物学基线和麻醉伪影提供了生理参考，从而增强了未来狨猴研究的转化有效性。

引言

普通狨猴（Callithrix jacchus）由于其遗传和生理特征与人类的相似性以及较短的世代时间，已成为神经科学中的重要非人类灵长类（NHP）模型，这便于进行纵向和机制研究（Okano等人，2012年；Kishi等人，2014年；Miller等人，2016年）。除了这些生物学优势外，狨猴大脑还提供了独特的神经解剖学平衡，结合了灵长类特有的功能结构和平滑脑皮层，便于基于表面的映射（Mitchell和Leopold，2015年）。这种紧凑的非大脑皮层结构显著减少了沟回复杂性，这通常会干扰猕猴或人类的个体间配准，从而在高分辨率神经成像映射中实现精确的边界定位和更高的重复性（Solomon和Rosa，2014年；Schaeffer等人，2020年；D'Souza等人，2021年）。这些特点使狨猴成为开发整合神经成像策略的理想平台，有助于弥合啮齿动物模型与人类临床病理学之间的转化差距（Sukoff Rizzo等人，2023年；Ma等人，2024年）。

尽管有这些优势，狨猴的神经成像通常受到镇静或全身麻醉的需求限制。在完全清醒的动物中进行长时间、无运动的采集在技术上具有挑战性，并且在行为上也要求较高；因此，大多数临床前成像依赖于全身抑制。这种对麻醉的依赖引入了一个关键混淆因素，因为它不仅使动物失去活动能力，还会改变脑血流，破坏长距离的功能耦合，并抑制基线神经活动（Masamoto和Kanno，2012年；Tsurugizawa等人，2016年；Slupe和Kirsch，2018年；Sullender等人，2022年）。虽然对NHP的血液动力学研究表明麻醉会改变功能连接网络（Xu等人，2019年；Hori等人，2020年；Areshenkoff等人，2021年），但普通狨猴的基本代谢景观及其相应的统计拓扑结构尚未得到充分表征。这造成了显著的解释模糊性，因为所得到的图像反映了潜在生理状态和药物诱导抑制的混合状态，而不是自然的生物学基线。因此，定义清醒大脑的固有代谢特征是进行有效跨物种比较的先决条件。

迄今为止，大多数关于麻醉效果的研究都使用了功能性磁共振成像（fMRI）。然而，这些研究本质上受到其对血液动力学信号的依赖的限制，这种信号是通过神经血管耦合来推断神经活动的替代指标（Logothetis，2008年）。由于这种耦合对血管活性麻醉剂非常敏感，测量的血管反应可能与潜在的神经放电分离（Logothetis等人，2001年；Masamoto等人，2009年）。这一限制阻碍了理解麻醉如何影响大脑主要能量预算的理解，而这与血管混淆因素无关。解决这一问题需要一个直接反映代谢需求的指标，主要取决于葡萄糖用于突触传递和膜电位维持的需求。

放射性示踪剂[¹⁸F]氟脱氧葡萄糖（FDG）是一种葡萄糖类似物，可以追踪这一基本的代谢途径。给药后，FDG按葡萄糖消耗的比例被代谢活跃的细胞吸收，并在磷酸化后滞留在细胞内（Berti等人，2013年；Brown等人，2014年）。这种代谢滞留使得FDG正电子发射断层扫描（FDG-PET）能够在定义的摄取期间捕捉大脑活动的累积快照，并保留下来供后续成像使用。与fMRI不同，FDG-PET提供了独立的代谢测量，不受扫描过程中瞬时神经血管波动的影响。通过利用这一独特属性，研究人员可以将在示踪剂摄取期间的行为状态与扫描期间的物理状态区分开来，从而规避麻醉的混淆效应。

本研究旨在系统地分离并量化麻醉在狨猴关键[¹⁸F]FDG摄取期间对代谢的影响。为此，我们采用了比较实验设计来严格评估两种不同的生理状态。在第一种方案中，[¹⁸F]FDG在动物清醒时给药，允许示踪剂根据清醒大脑的自然功能拓扑分布，随后仅为了无运动扫描而引入麻醉。在第二种方案中，在[¹⁸F]FDG注射前引入全身麻醉，并在整个摄取期间保持，以捕捉麻醉状态下的代谢特征。通过严格量化这两种条件之间大脑葡萄糖代谢的全球变化和拓扑重组，本研究旨在阐明麻醉所施加的特定代谢特征。这些发现将为解释NHP的功能性神经成像数据建立必要的代谢基线，使未来的研究能够区分真正的病理变化和麻醉混淆因素。

章节片段

动物与PET/CT采集

四只成年雄性狨猴（2岁），已达到完全成熟并度过快速发育阶段，接受了静态和动态[18F]FDG PET/CT扫描，以比较清醒和麻醉状态下的摄取情况。所有动物在兽医检查和笼边观察中均表现为临床正常，具有正常的进食行为，没有可观察到的步态或肢体使用缺陷。总共进行了14次成像检查，均获得了机构批准。

体素级统计映射显示，两种条件下的代谢改变有明显的空间分布差异（图1A–B）。清醒状态下的摄取表现为感觉皮层和高级皮层区域的代谢活动增加（图1C）。听觉皮层表现出最明显的活动，侧颞叶和下颞叶皮层也有较强的参与。这一高需求区域扩展到包括体感皮层、岛叶等部位。

讨论

本研究通过利用狨猴研究中特有的麻醉条件，建立了一个定量框架来定义灵长类大脑中的状态依赖性代谢特征。通过使用[¹⁸F]FDG-PET进行全脑葡萄糖利用评估，研究了麻醉对代谢空间分布和功能网络拓扑的影响。结果表明，麻醉不仅导致葡萄糖利用的整体减少，而且从根本上……

伦理声明

所有实验程序均获得了首尔国立大学盆唐医院动物护理和使用委员会（IACUC编号BA-2409-399-002-08）的批准，并按照相关机构和国家的实验室动物护理和使用指南进行。

杜俊坤（Dongjun Koo）：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，软件，项目管理，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。郑爱莘（Ae Shin Cho）：数据管理。金智贤（Ji Hyeon Kim）：数据管理。李贤孙（Hyun-Sun Lee）：数据管理。姜秉喆（Byeong-Cheol Kang）：监督，资源，项目管理，数据管理。李在成（Jae Sung Lee）：监督。李浩英（Ho-Young Lee）：写作 – 审稿与编辑，监督，资源，项目管理，资金支持。

资金支持

本研究得到了韩国食品药品安全部（MSIT）的23214MFDS256号资助和韩国国家研究基金会（NRF）的资助（编号RS-2024-00443008）。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报道工作的财务利益或个人关系。

作者感谢食品药品安全部和韩国国家研究基金会（NRF）的支持。

本研究的支持数据可向相应的作者提出合理请求后获得。