血氧水平依赖的功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)是一种无创性的探索脑神经活动机制的方法，在人体已经进行了大量研究，包括对认知活动、静息状态、视觉、运动、神经精神疾病等方面的脑fMRI研究已经取得一系列的发现和成果，动物fMRI研究则可以实现由于伦理因素在人体不能进行的基础研究，探索生理、病理状况下内在的脑功能机制。BOLD信号的神经基础就是在1990年最早由Ogawa等^[1]利用超高场磁共振(7.0 T和8.4 T)对大鼠脑进行研究时发现的。啮齿动物最常用于小动物功能磁共振成像研究。小动物fMRI可以适用于不宜在人脑进行的研究，开拓了神经科学的新领域，使我们能更好地理解脑功能活动的生理和分子机制。

1　小动物fMRI的研究条件

       几乎绝大多数的实验动物是在麻醉条件下进行的，常用的麻醉剂有α-氯醛糖、异氟烷和乌拉坦等。研究发现实施全麻会对神经活动和BOLD fMRI信号强度产生影响^[2]：麻醉剂抑制脑的激活、代谢及血流动力；尤其是脑区间的功能连接性与麻醉深度有关，当麻醉深度较大时，两侧躯体感觉脑区间的静息fMRI功能连接性消失^[3]。α-氯醛糖、乌拉坦等麻醉剂具有一定的毒性，不能用于纵向研究；近来的研究发现应用美托咪定，实现了镇静状态的fMRI研究，以便模拟近似清醒状态^[4,5]。美托咪定是β2肾上腺素能受体激动剂，具有镇定、去焦虑和一些止痛、肌松方面的药理作用，它的作用安全，可以适用于纵向研究。少数fMRI研究将大鼠、兔等动物经过适应性训练，在清醒的状态下进行成像检查^[6]。清醒状态动物的fMRI避免了麻醉对脑血流、脑代谢、神经血管反应的影响和混淆因素，可以进行脑皮层高级认知活动的研究，但是面对的困难是要克服动物的头部运动干扰及缓解动物在扫描环境中的紧张，为此，一种专用的大鼠固定装置被设计制造出来。清醒状态的动物在fMRI实验过程也需要注射适量的地西泮等镇定剂来消除动物的紧张反应。

       进行小动物的fMRI研究需要超高场磁共振设备，因为小动物的脑体积小，需要小孔径的高场磁体和相应的配套小线圈，以便得到良好的、敏感的信号和信噪比。BOLD信号不仅依赖于氧合血红蛋白，还受到血氧、血流速度、血容量等因素的影响；动物fMRI检查过程还需要对体温、呼吸、血氧饱和度、二氧化碳分压等进行监测，以控制这些因素对血流动力学变化和血氧代谢的影响。

2　小动物fMRI脑激活的研究

       由于动物难以配合进行认知方面的脑功能成像，目前的动物fMRI研究多集中在BOLD机制、感觉运动系统、神经疾病模型及药物等方面的研究。

       大鼠的脑功能刺激实验多采用组块设计。BOLD信号是与脑皮层活动相关的，电极刺激大鼠前后爪的方法已经广泛用来研究BOLD信号在躯体感觉通路，特别是感觉皮层的激活模式，这些研究结果一致地显示了刺激单侧前爪引起对侧第一躯体感觉皮层(SⅠ)的激活，激活区BOLD信号增高2.1%左右^[5]；研究也发现前爪的感觉代表区位置位于后爪的代表区前方和外侧方^[7]；但是对感觉传导通路的激活效果研究结果不一致，Keilholz等^[8]利用电刺激大鼠前爪显示了小脑皮层、丘脑、SⅠ及SⅡ(第二躯体感觉皮层)的激活，而其他一些类似研究未能发现感觉传导路径的激活^[5,7]，可能与实验设计有关。BOLD信号与电刺激强度之间的关系也有不同的研究结果，多数的研究认为电流1~2 mA、3~8 Hz低频率的电刺激强度引起感觉皮层的最大激活，但是Goloshevsky等^[9]的研究发现BOLD信号随着电刺激频率的增加(至180 Hz)而增加。研究也证明刺激前爪诱发的感觉皮层的BOLD信号和体感诱发电位(SEP)的变化呈相关性。

       对大鼠的痛觉的皮层及传导通路的研究则发现两侧感觉运动皮层、扣带回、丘脑后外侧核、岛叶及海马等脑区接受刺激时呈固定激活^[10]。

       以小动物fMRI为工具可以用来研究大鼠脑梗死后脑功能的重塑变化，例如Dijkhuizen等^[11]刺激偏瘫肢体发现，卒中后早期病灶对侧大脑半球广泛的激活增强为主，而两周后(中期)表现为病灶周围激活增强，这种梗死后双期的脑功能变化机制为卒中的治疗和康复提供了理论。

3　脑激活的生理和药理研究

       在脑激活的过程中血流动力学反应与脑激活关系之间存在复杂的分子机制，通过阻断某些分子通道，观察对BOLD信号的影响，能研究分子通道作用和血流动力学间的关系，啮齿动物和高场磁共振成为研究BOLD机制的重要手段。目前主流观点认为胶质细胞是神经元兴奋和血流BOLD信号间的中介，通过谷氨酸盐、Ca²⁺、NO等信号途径调节脑组织微血管舒缩及血氧水平^[12,13,14]。

       fMRI可以评估药物作用引起的脑活动变化，已经成为一种药理学研究的工具，被称为药理学fMRI (pharmacologic fMRI，phfMRI)。尽管神经药物可能引起心血管、呼吸作用进而影响fMRI，小动物phfMRI正越来越多地被用于揭示药物在神经系统的药理作用，例如观察戊四唑引起的鼠脑癫痫放电脑区的活动^[15]；Shah等^[16]利用phfMRI成像探索大鼠脑神经递质分布图，注射吗啡后使阿片受体密集的脑区激活及然后注射其拮抗剂纳洛酮，发现吗啡引起扣带回、丘脑、下丘脑、杏仁核、导水管周围灰质正性激活，并且可以被纳洛酮阻断，激活减退。phfMRI的设计一般不用传统的组块式设计，而是用两阶段式的基线/药物注射比较。

4　静息脑功能的研究

       静息fMRI指的是受试者放松、静止不动，并避免任何有意思维活动的状态下进行功能磁共振成像。静息态fMRI数据中包含的低频BOLD信号波动(low frequency fluctuation，LFF)，反应了中枢神经静息情况下自发的神经活动(频率范围0.01~0.1 Hz)，人类的静息fMRI研究发现静息状态存在默认网络，呈现较强的兴奋活动。目前认为静息功能网络可能是神经认知网络活动的重要基础和来源，对于静息状态大脑活动的研究有利于全面认识大脑的内在活动机制。动物的静息fMRI不能模拟人的静息状态，只有在麻醉下进行，多数麻醉方法对BOLD信号产生不利影响，近年来少数研究开始用美托咪定为镇定剂进行浅麻醉，以便获得强的BOLD信号和功能连接性。小动物的fMRI为揭示LFF信号的本质提供了平台。Pelled等^[17]对活体鼠脑和死亡后的鼠脑进行的LFF信号比较研究表明，LFF是一种生理性的信号。研究已经发现大鼠两侧大脑对称的功能脑区如感觉运动皮层、基底节等存在一致的LFF信号网络^[4,18]，研究认为小型哺乳动物BOLD信号中的LFF也适用于探索动物脑功能图。Pawela等^[18]研究以大鼠丘脑后区为种子区利用时程相关方法检测到由两侧第一、第二运动区、扣带回及同侧第二感觉皮层区构成的感觉运动功能网络，而且还发现了由视皮层V1区、背外侧膝状体核、上丘构成的视觉信号网络。尚未见到小动物的脑内默认网络报道。

5　非BOLD功能磁共振成像技术的研究

       BOLD信号所反应的是神经活动相伴随的血流动力学变化，并不能直接探测神经元的激活过程。由于血管系统的变化，以及神经活动与血液动力学之间耦合的复杂性，BOLD功能磁共振技术无法对神经元活动进行精确的空间和时间定位。为了克服这些问题，研究者们一直在努力发展直接探测神经元活动的非BOLD功能磁共振技术。这些技术包括神经电流磁共振成像(neuronal current MRI，ncMRI)，扩散加权功能磁共振成像(diffusion-weighted fMRI)，以及分子功能磁共振成像(molecular fMRI)^[19]。

       小动物被广泛应用于非BOLD功能磁共振成像技术的发展与可行性研究之中。最近，Luo等^[20]利用离体但完整的乌龟脑系统(包含眼睛)进行ncMRI技术的可行性研究。当把带着眼睛的龟脑从颅骨中取出并放置于人工脑脊液中时，龟脑仍然能够产生正常的视觉诱发神经活动。因此，该龟脑系统提供了一个完全没有血液但却能够响应自然生理刺激(视觉)的动物模型。利用这个模型，可以在没有任何BOLD效应干扰的情况下探测ncMRI信号。除了神经电流成像实验，在扩散加权和分子功能磁共振技术研究中也使用了小动物模型。例如Jin等^[21]在猫的大脑中探测视觉刺激引起的扩散加权磁共振信号变化，Lin等^[22]利用大鼠进行以锰离子作为对比剂的分子功能磁共振成像实验。这些基于小动物的实验为非BOLD技术的发展作出了巨大的贡献。

       总之，小动物的脑功能成像研究已成为影像医学与生理、药理、精神神经等基础学科的交汇点，在基础医学的研究中得到越来越多的应用，将来会有更多的研究成果。